基于多核处理器并发计算软件构架设计与实现

目前在诸多IT应用领域中,对处理器芯片的实时并发处理能力的要求越来越高,促使多核处理器芯片以及以多核处理器为核心的高性能应用系统迅猛发展.本文提出的基于异构多核处理器系统在高性能并发处理应用中的三层软件构架,充分利用了异构处理器的多核结构,为并发处理应用进行加速;同时,该构架大大简化了异构多核平台的应用开发编程.该软件构架的有效性在基于Cell处理器平台的面向电信应用的语音会议原型系统中得到了初步试验验证.     

多核处理器及其对系统结构设计的影响

多核技术成为当今处理器技术发展的重要方向,已经是计算机系统设计者必须直面的现实。从计算机系统结构的角度探讨了同构与异构、通用与多用等多核处理器的类型,分析了典型多核处理器的微结构、工艺等结构特点,讨论了多核处理器对计算机系统结构设计带来的挑战。     

异构处理器多操作系统协同技术研究

随着嵌入式设备应用场景日趋复杂的变化,异构多核架构逐渐成为嵌入式处理器的主流架构.目前,多核处理器主要采用的单操作系统模式在实际应用中存在诸多局限性.为了充分发挥异构处理器的多核特性,针对异构处理器不同核部署相应的操作系统并实现多操作系统协同处理技术至关重要.本文对异构多核处理器（ARM+DSP）操作系统进行了研究,在异构多核平台上成功移植了嵌入式Linux和国产DSP实时操作系统ReWorks;为实现ReWorks与Linux操作系统协同处理,本文对核间通信的关键技术进行分析研究,并以TI公司的AM5718为例,设计了一系列多核异构通信组件.经测试,本文设计的异构通信组件实现了在ARM上对DSP核进行ReWorks操作系统和应用程序的动态加载、Linux与ReWorks核间消息收发、以及Linux与ReWorks的协同计算等功能.     

面向多核处理器的实时优化技术:基于独立实时域的实时优化方法

多核处理器具有良好的性能功耗比,因此其在实时嵌入式系统中的应用是一种趋势.然而,现有的软件结构下,多核处理器的多核特性对实时性能的提高没有帮助;甚至,多核处理器核间的资源共享使影响程序执行时间的因素变得复杂,实时任务的最坏执行时间(Worst Case Execution Time,WCET)变得更为不可预测和难以控制.基于国产飞腾处理器研究了基于多核处理器的实时系统构建和实时性能优化,提出了“基于独立实时域的实时优化方法”;通过虚拟化技术把处理器分为“实时域”和“非实时域”,实时任务和非实时任务运行在不同的核心上,充分利用多核处理器各个核心,高效调度实时任务和非实时任务运行.     

一种异构多核处理器嵌入式实时操作系统构架设计

由于异构多核处理器和多处理器系统及同构多核处理器的构架存在很大差别,应用于多处理器系统的分布式结构以及应用于同构多核系统的主从式结构操作系统不能解决异构多核处理器的实时调度和效率问题。对异构多核处理器的特点及发展趋势进行了研究,提出了一种适用异构多核处理器的多主模式实时操作系统构架。这种构架将通信总线中的多主模式引入多核操作系统构架中,采用对称式结构及组件模式设计操作系统模型,使多核处理器中每个内核都可以作为主核实现对资源、任务的实时管理,提高系统性能,同时可以解决主从式操作系统存在的由于处理器核增多而带来的主内核不能满足系统性能要求的瓶颈问题。通过这种单一构架模型可以进行灵活配置,以适应不同结构及功能要求的处理器内核,降低操作系统开发难度。     

一种挖掘多核处理器存储级并行的算法

多核处理器中,各个处理器核之间可以并发地进行外部存储访问,提供不同于单处理器的存储级并行(memory level parallelism)能力.不规则应用中的循环,传统的并行方法难以识别其并行性,不能充分利用多核处理器存储级并行能力和并行计算能力.对基于软件开发多核处理器存储级并行进行了讨论,提出一种前瞻并行多线程算法LLSM(loop level speculative mssultithreading).LLSM对不规则应用中的循环进行并行化,在多核处理器上的测试数据表明:该算法能够有效地挖掘多核处理器的存储级并行能力和计算能力,同时指出多核环境下存储级并行计算公式需要考虑线程同步开销.     

面向MPSoC多核AMP架构的运行方案研究

本文针对Zynq UltraScale+ MPSoC硬件平台,通过分析对比现有的非对称多处理架构方案,提出一种简洁的AMP运行方案,实现1个Cortex-A53核运行Linux系统,其他3个Cortex-A53核运行裸核系统功能.本文从分析多核启动机制入手,实现一种Linux用户态动态加载启动多核方案,设计多核监督模块...     

实时微处理器体系结构综述

实时应用已经成为嵌入式应用中一类快速崛起的典型应用。作为实时系统的核心部件,实时微处理器体系结构是微处理器领域的一个重要研究方向。与通用处理器追求最大吞吐量不同,实时处理器要求具有紧凑且可计算的最坏执行时间。传统的实时处理器往往采用较为简单的处理器结构,避免复杂结构引入执行时间的不确定性。随着实时应用对处理器性能需求越来越高,实时处理器正逐渐向多线程与多核结构发展。在多线程与多核处理器中,共享资源竞争导致实时系统的确定性变差,对实时处理器体系结构带来了更大挑战。对实时微处理器体系结构进行综述,首先从指令集、微体系结构、存储、I/O、任务调度等多个方面对传统实时处理器进行分析;然后分别对采用多线程与多核结构的高性能实时处理器展开分析;最后对几种商用实时处理器结构进行比较,总结实时处理器发展现状与未来发展趋势。     

一种适应多核处理器核间通信机制的设计

随着单芯片上集成处理器内核数量的增加,在支持多核处理器的应用程序方面,核间通信变得更加重要.通过分析多核运行任务特点,根据处理核上运行任务功能的不同,将处理核分成两类:控制核和计算核.根据对核的分类,提出了一种新的核间通信模型,该模型提供了三种不同的通信通道.运用这三条通道,把应用程序的I/O部分从计算核迁移到控制核来提高多核的利用率,实验结果表明该方式有效提高核间协作以及核间通信的效率,提升处理器的利用率.     

混合粒子群算法的异构多核处理器间任务调度

针对异构多核处理器间的任务调度问题,为了更好地发挥异构多核处理器间的平台优势,提出一种基于将有关联的且不在同一处理器上的任务进行复制的思想,从而使每个异构多核的处理器能独立执行任务,来减少不同处理器之间的通信开销,并且通过混合粒子群算法(HPSO)来调度异构多核处理器中的任务,避免由于当任意一个异构多核处理器由于任务分配过多而导致计算机不能及时且准确地得出结果.最后实验证明,对比传统的启发式分配方案和常见的遗传算法(GA),基于任务复制思想分配方案和混合粒子群算法(HPSO)具有更好的求解能力,并且可以提供执行时间更少的调度分配方案,具有较好的应用价值.     

基于实时多处理器操作系统内核的视频终端研究

介绍一种基于实时多处理器操作系统内核的视频终端设计，其中主要介绍了终端的系统结构和基于实时多处理器操作系统内核下本系统的关键编程技术。     

对称多处理器系统CPU转换机制研究

多个ＲＩＳＣ微处理器构成的对称多处理器系统正在成为多机并行系统的主流产品。在对称多处理器系统中,所有处理器的地位都是相同的,所有的系统资源都具有相同的可访问性,系统依据仲裁算法自动调度处理器访问控制权。通过分析当前多处理器系统的代表机型Ｓｐａｒｃ２０的加电自检程序,对多机系统的处理器转换机制进行了研究,给出了其切换时机和实现过程的算法描述。     

Interconnection Networks Using Shuffles

Networking techniques allow several processors within a multiprocessing system to cooperate efficiently on a single large problem.     

基于多处理器嵌入式系统调度算法的研究

本文浅析了在多处理器体系结构上的调度实时任务的各种不同方法。我们首先比较了这些不同的解决方案，然后描述了一种调度任务集的方法。该方法基于端对端的任务调度，考虑任务间的线性优先约束以及任务对资源的需求。同时．这种调度方法的另外一个目的是尽量减少处理器间的通信代价。这个模型也考虑了不同处理器之间的不同通信带宽以及各种处理器拥有不同的处理性能。     

基于多处理器嵌入式系统调度算法的研究

本文浅析了在多处理器体系结构上的调度实时任务的各种不同方法.我们首先比较了这些不同的解决方案,然后描述了一种调度任务集的方法.该方法基于端对端的任务调度,考虑任务间的线性优先约束以及任务对资源的需求.同时-这种调度方法的另外一个目的是尽量减少处理器间的通信代价.这个模型也考虑了不同处理器之间的不同通信带宽以及各种处理器拥有不同的处理性能.     

Parallel implementations of Brunotte’s algorithm

In this paper the author make a comprehensive comparison of different parallelizations of a sequential number theoretic algorithm having large memory requirements. Brunotte’s algorithm is one of the currently known best methods for the decision of the canonical number system (or more generally shift radix system) property. Still, it can be very space-consuming in some cases. Pushing the algorithm to its limits may hopefully shed light on mathematical patterns that would otherwise not be discernible. The algorithm contains many n-dimensional vector operations and set operations like insert, find, clear, etc. The parallel algorithms encounter two difference kinds of concurrency problems. First, they need computationally intensive arithmetic vector operations, second, the set implementations require a huge amount of memory and general purpose processors. The algorithms described in this article are basically designed for two platforms. The first platform is a generic symmetric multiprocessing (SMP) architecture without any vector processor extension, the second is the Cell Broadband Engine. The SMP platforms have several general purpose processors in contrast with the Cell Broadband Engine where the processors have Synergistic vector processors.     

一种并行处理多维连接和聚集操作的有效方法

随着并行计算算法的完善和廉价、功能强大的多处理机系统的成熟，使得采用多处理机系统来并行处理多维数据仓库的连接和聚集操作成为当前有效提高OLAP查询处理性能的首选技术．为此，提出一种降低连接和聚集操作开销的并行算法PJAMDDC(parallel join and aggregation for multi-dimensional data cube)．算法充分考虑了多维数据立方体的存储机制和多处理机分布系统的结构特点，在原有聚集计算多维数据立方体的搜索点阵逻辑结构的基础上，采用多维数据仓库的层次联合代理(hierarchy combined surrogate)和对立方体的搜索点阵进行加权的方法，使得立方体数据在多个处理机间的分配达到最佳的状态，从而在分割多维数据的同时，提高了并行处理多维连接和聚集操作的效率．算法实验评估表明，PJAMDDC算法并行处理多维数据仓库的连接和聚集操作是有效的．     

Information system design for real-time multiprocessing systems

Most research on multiprocessing has concentrated on synchronization methods through special language statements and/or operating system capabilities. In contrast, this paper is concerned with identifying and developing system design principles for information systems in a real-time multiprocessing environment. We do not assume that the processes of the system are independent. We identify how interference can occur and show what is necessary to prevent it. Theorems are proven that show how to determine which processes cannot be multiprocessed. These theorems create the basis for determining what portions of a program need to be placed in a critical region. We show that even some disjoint processes may not be multiprocessed. We then identify system design principles that will yield a better system with respect to total throughput time and multiprocessor utilization. Our results do not depend upon any specific synchronization method.     

Algorithm for synthesis of real-time systems under reliability constraints

The problem of constructing a real-time computing system that has a minimum number of processors is addressed. It is necessary that the system meets the deadlines of program execution and the system reliability requirements implying that the system must tolerate both hardware and software failures. The formal statement of this problem is presented, a method for its solution using an iterative scheduling algorithm based on the method of simulated annealing is proposed, and an experimental study of the proposed algorithm is conducted.     

Computing performance bounds of fork-join parallel programs under amultiprocessing environment

We study a multiprocessing computer system which accepts parallel programs that have a fork-join computational paradigm. The multiprocessing computer system under study is modeled as K homogeneous servers, each with an infinite capacity queue. Parallel programs arrive at the multiprocessing system according to a series-parallel phase type interarrival process with mean arrival rate of h. Upon the program arrival, it forks into K-independent tasks and each task is assigned to an unique server. Each task's service time has a k-stage Erlang distribution with mean service time of λ. A parallel program is completed upon the completion of its last task. This kind of queuing model has no known closed form solution in the general (K⩾2) case. In this paper, we show that by carefully modifying the arrival and service distributions at some imbedded points in time, we can obtain tight performance bounds. We also provide a computational efficient algorithm for obtaining upper and lower bounds on the expected response time. The methodology is flexible and allows one to trade-off the tightness of the bounds and computational cost