SIMATIC S7系统在棒材轧机控制中的应用

本文通过对S7系统和S5系统优越性的详细比较和我厂硬件配置的介绍,来阐述采用S7系统的理由,并让读者对我厂的设备有一定的了解.     

一种基于众核架构的稠密光流并行计算方法

光流法是计算机视觉中的一个基础性算法,可广泛应用于运动检测、运动估计、视频分析等领域。但高质量光流法最大的问题是计算复杂、速度慢,限制了它在实际系统中的应用。针对一种混合亮度和梯度模型的高质量光流法,为其设计了一种高效、可扩展的并行计算方法。通过在具有代表性的网络众核架构-Tilera上进行验证,对于分辨率为640×480的图片,提出的并行计算方法在具有36核的Tilera处理器上执行时间为0.80秒,比主频3.40 GHz的CPU i3-3240快2.56倍,但功耗不到其1/6。当用于嵌入式环境时,其速度比ARM9处理器快33倍,而功耗只有它的一半。实验表明该并行算法具有良好的扩展性,可通过选择不同核数的处理器满足系统对性能、功耗的综合需求。     

面向众核系统的层次化栅栏同步机制

同步操作在保证多核处理器线程的数据一致性和正确性等方面起着重要作用。随着处理器内核数量的不断增加,同步操作的开销也越来越大。栅栏同步是并行应用中多核同步的重要方法之一。软件同步方法通常需要数千个周期才能完成多个内核之间的同步,这种高延迟和串行化同步会导致多核程序性能的显著下降。相比于软件栅栏同步方法,硬件栅栏能够实现较低的同步延迟,然而传统集中式硬件栅栏的可扩展性有限,难以适应众核处理器系统的同步需求。面向众核处理器提出了一种层次化硬件栅栏机制——HSync,它由本地栅栏单元和全局栅栏单元组成,二者协调配合,以实现低硬件开销的快速同步。实验结果表明,与传统的集中式硬件栅栏相比,层次化硬件栅栏机制将众核处理器系统性能提高了1.13倍,同时网络流量减少了74%。     

面向高性能计算的众核处理器结构级高能效技术

随着半导体技术的进步,众核处理器已经广泛应用于高性能计算领域.而要构建未来高性能计算系统,处理器必须突破严峻的"能耗墙"挑战.文中以一款自主众核处理器DFMC原型为基础,首先对其在典型负载下的能耗分布进行了分析,结合该处理器的具体结构,提出了基于指令窗口的指令缓冲、操作数锁存两种结构级能效优化技术,探索了能效优先的浮点部件设计方法.实验表明,通过上述技术可以降低处理器取指和译码能耗约50%、寄存器文件能耗11.2%和浮点部件能耗17.6%,最终全芯片降低能耗约14.7%.在该文所述实验环境下,作者还进行了DFMC原型的双精度矩阵乘(DGEMM)性能功耗比测试,并与NVIDIA公司的Kepler K20GPU进行了对比.     

BFS算法与众核处理器的适应性研究

以图计算为代表的数据密集型应用获得越来越广泛的关注,而传统的高性能计算机处理这类应用的效率较低.面向未来高性能计算机体系结构要有效支持数据密集型计算,深入研究以广度优先搜索(breadth-first search,BFS)算法为代表的图计算的典型特征,设计实现轻量级启发式切换BFS算法,该算法通过基本搜索方式的自动切换,避免冗余内存访问,提高搜索效率;针对BFS算法的离散随机数据访问特征以及众核处理器执行机制,建立面向BFS算法的众核处理器体系结构分析模型;全面、深入研究了BFS算法在典型众核处理器上的运行特征和性能变化趋势.测试结果表明:Cache命中率、内存带宽、流水线利用效率等相关参数均处于较低水平,无法完全满足BFS算法的需求,因此需要能够支持大量离散随机访问和简单执行机制的新型众核处理器体系结构.     

LU分解在Godson-Tvl众核体系结构上的半行化研究

随着集成电路工艺的发展,众核体系结构成为人们日益关注的计算平台.LU分解是科学和工程计算中被广泛使用的核心算法之一,尽管在传统的并行体系结构上已有大量的并行化研究工作,但是结合新犁众核体系结构特征的工作还不多.文章从负载均衡、延迟容忍和性能分析模型3个方面系统研究了LU分解在众核体系结构上的并行化问题.该文的贡献在于:首先,针对二维卷帘负载分配方案难以达到良好负载均衡的缺点,提出一种新的"之"字形分配方案,实验表明不经任何优化的情况下性能比前者提高20%,优化后达到了40%;其次,提出了一个性能加速比的分析模型,并用实验定量研究了实测性能加速比和理论值之间的差距,发现在合理利用片上存储优化访存延迟,并恰当选择矩阵分块参数的情况下,实测加速效果能比较接近理论值;通过实验还证明实测性能难以达到理论预测值的两个主要原因:访存带宽有限和片上网络的资源竞争.     

硬件结构支持的基于同步的高速缓存一致性协议

共享存储系统中如何高效地实现高速缓存一致性是体系结构设计面临的一个关键问题和难点问题.已有的基于目录的协议存在难于实现、验证复杂和存储空间开销大等问题.面向片上众核处理器,文中提出一种由硬件结构支持、基于同步的高速缓存一致性协议.该方案不使用目录,而是通过使用bloom-filter表示一致性信息,并在并行程序中的同步点维护高速缓存一致性.与现有的基于目录的高速缓存一致性协议相比,该方案可以降低目录协议的实现、验证复杂度.用SPLASH一2测试程序集评估表明,基于同步的协议可以获得与基于目录的协议相当的性能.     

H.264去块滤波算法在众核结构上的并行优化

在H.264视频解码中,去块滤波是运算量很大的一部分.由于去块滤波过程中,数据之间存在复杂的依赖性,现有的很多去块滤波并行方案存在着并行度小、同步互斥开销大的缺点.本文结合去块滤波算法及众核处理器Godson-T的结构特性,提出了一种可以减少数据依赖的去块滤波算法并行优化方案.相对于以前的很多方法,此并行方案首先在算法上增大了并行度,减少了同步开销,同时,我们通过片上众核处理器Godson-T的硬件支持,采用计算与通信重叠等优化策略,使得优化后的算法达到了数倍的性能提升.     

一种实时细颗粒度片上网络功率分配方法

为满足应用对计算性能的需求,众核芯片集成了众多处理器。然而,其快速上升的功耗成为众核芯片设计的挑战之一。片上网络(NoC)是众核芯片中处理器核之间数据通信的网络,它不仅直接影响众核芯片的性能,而且消耗了芯片部分功率。在给定功率条件下使得片上网络的性能最优已经成为迫切需求。片上网络中路由器的工作负载(包的到达率)差异很大,需要对每一个路由器进行异构调整功率才能得到很好的性能。为此,针对如何在给定功率条件下优化NoC性能进行了研究,提出了一个实时细颗粒度的功率分配方法,它能够根据每一个路由器的工作负载实时快速的分配功率,实现片上网络性能最优。实验结果表明相比其他功率分配方法,该方法平均减少28.3%的应用执行时间且具有较低的硬件开销。     

众核处理器中使用写掩码实现混合写回/写穿透策略

高速缓存采用写回策略,能极大地节省对片上网络和访存带宽的消耗,这对于片上众核(大于16核)的结构尤为重要.与通常多核系统中基于目录/总线的写无效或写更新协议不同,文中给出了片上实现域一致性存储模型和基于硬件锁的缓存一致性协议的方案并提出了在L1高速缓存保存写掩码的方法,用以记录本地更新缓存块的字节位置,解决了写回策略下伪共享带来的缓存一致性问题.文中还进一步提出两种优化掩码存储空间开销的新方法:通过设定程序中较少出现的、长度为1~3字节的写指令为写穿透,在L1中每4字节设置一位写掩码,将写掩码的芯片面积开销压缩到字节粒度的27.9%;设计项数为L1缓存块总数12.5%的多路写掩码缓存,在不损失性能的情况下,将面积开销压缩到字节粒度的17.7%.搭建的众核平台Godson-T采用域一致性存储模型,使用写掩码实现混合写回/写穿透缓存策略(临界区内写穿透,临界区外写回).实验使用splash2的3个程序和2个生物计算程序进行评估.结果表明,相对于完全写穿透,混合写回策略在32和64线程的配置下普遍获得24%以上的性能提升,性能略优于完全写回,并且采用两种优化空间开销的新方法后性能无损失.