多核编程模型运行时环境的自适应性研究

针对多核编程模型运行时环境易造成处理器核资源竞争加剧以及可扩展性较差等弊端,基于动态反馈控制思想,将资源分配、运行时控制、任务执行视为有机整体,提出了自适应协同调度模型ACSM.ACSM采用集中式与分布式相结合的协同机制,动态调节处理器核资源在不同应用负载间及其内部的分配与管理.ACSM的优势在于充分体现了多核编程模型良好的可编程性和可移植性,消除了传统多核运行时环境显式指定核数的弊端,增强了处理器核资源分配的高效性和自适应性.实验结果表明,ACSM在提高多核编程模型易用性的同时,减少了系统处理器核资源的不良竞争,提升了系统的整体性能和资源利用率.与仅依赖多核编程模型运行时环境的调度算法相比,ACSM使应用程序的运行时间缩短了近50%,并且随着应用程序数量的增加效果更加显著.     

层次化架构嵌入式多核处理器原型设计及其编程研究

VLSI技术进步和应用驱动使多核技术成为主流的微处理器设计技术。多核处理器作为一种时空域器件,应把超级计算机作为多核处理器的设计参考系,其主流架构将最终收敛到"小核、大阵列、层次化"上。文章利用Xilinx Virtex5-330TFPGA器件,设计实现了一款集成16个处理核的具备层次化架构特征的嵌入式多核处理器原型芯片,工作频率为90 MHz。多核处理器利用层次化的体系架构、灵活的片上互连、多种同步机制以及合理的并行程序模型,成功加载了实时视频淡入淡出(fade-in-fade-out)混叠应用(320×240,30帧/s)。基于该多核处理器架构,研究比较了粗粒度和细粒度2种并行编程模型。细粒度模型的多核同步操作稍复杂,但很好地掩盖了应用的串行操作时间,对视频淡入淡出混叠应用的加速比可达6.97。     

采用数据驱动机制的多核处理器

摘要：
针对当前工艺条件下多核处理器存在程序并行性不足的问题,设计了一种采用数据驱动机制、支持函数语言风格编程的多核处理器,包括通用处理器核、数据驱动模块和片内路由器.其中：通用处理器核用于执行常规程序;数据驱动模块用于检测数据的完备性;片内路由器则可提供处理器核之间及簇之间的通信.实验结果表明,所设计的多核处理器能够支持C语言“函数式语言”风格的编程模板.每个C代码段执行纯函数的操作,消除了函数间的共享变量,使得并行编程的复杂度有所降低.同时,所采用的数据驱动机制没有执行顺序的严格限制,充分挖掘了算法潜在的并行性.经测试,数据驱动多核处理器的加速比随着计算资源的增加而增大,从而验证了数据流计算机的加速倍数随处理器数目增加而线性增长的结论.
关键词：
数据驱动; 并行编程模型; 数据流机; 多核处理器
中图分类号： TP 338
文献标志码： A     

基于OpenMP的多核系统并行程序设计方法研究

随着多核处理器被广泛的应用于桌面系统,如何充分利用多核处理器的计算能力,挖掘应用程序的并行性,以充分发挥多核系统的强大计算能力,成为近几年国内外计算机领域研究的热点,多核系统并行程序设计也成为所有专业软件开发人员必须了解和掌握的一项技术.本文阐述了一种以OpenMP为基础的多核并行程序设计方法,研究并提出了两种符合多核系统并行程序设计特征的编程模式:条件同步模式和线程分组竞争模式.实验证明这些方法简单高效.     

神威平台上AceMesh编程模型的构图优化

面向高性能计算领域的多核、众核处理器飞速发展,为了降低并行编程的难度,提高并行计算效率,数据驱动的并行编程模型成为高性能计算领域的研究热点.AceMesh是数据流驱动的、支持多核和众核异构平台的任务并行编程模型,能自动发掘结构化网格应用中存在的数据驱动的任务图并行性.但如果任务粒度划分较细,其构图过程会造成很大开销.本...     

应用Hill—Marty推论对异构多核处理器设计的分析

利用Hill-Marty的多核处理器加速比的推论（芯片中用于共享缓存、互连网络和内存控制器等片上资源不考虑在内）,在异构多核处理器中的强内核和弱内核分别与同构多核处理器中的内核性能相同的情况下,计算得出使得异构多核处理器比同构多核处理器性能更优的等价基本核的结构分配方式,从而提出了最优的异构多核处理器核结构配比的设计方案。     

应用Hill-Marty推论对异构多核处理器设计的分析

利用Hill-Marty的多核处理器加速比的推论(芯片中用于共享缓存、互连网络和内存控制器等片上资源不考虑在内),在异构多核处理器中的强内核和弱内核分别与同构多核处理器中的内核性能相同的情况下,计算得出使得异构多核处理器比同构多核处理器性能更优的等价基本核的结构分配方式,从而提出了最优的异构多核处理器核结构配比的设计方案。     

面向X86多核处理器的数据流程序任务调度与缓存优化

数据流编程作为一种编程模式被广泛地应用于多核处理器系统,其多核处理器的并行调度和对主存的访问延迟对程序的性能有很大的影响.为此,结合X86多核处理器的特点,提出一种数据流程序的任务调度与缓存优化方法.任务调度优化首先在预处理阶段提高目标程序的局部性和并行粒度;然后利用数据流程序的数据并行、任务并行和流水并行优化核间负载均衡,并构造软件流水调度.缓存优化针对目标系统的层次性缓存结构特征,通过消除缓存伪共享减少多核并行运行时相互间的干扰,根据逻辑线程间的通信分布实现逻辑线程到处理器核的映射.以COStream作为数据流编程语言,输出经过编译优化后的目标代码.实验选取数字媒体领域典型的算法进行测试,测试结果表明,编译优化后的测试程序基本达到线性加速比,验证了编译系统的有效性.     

一种面向片上众核处理器的虚拟核资源分配算法

基于高效能大任务和多任务计算需求以及芯片技术的高速发展,多核处理器进入片上众核处理器时代,但如何将这种硬件能力转变成计算性能的提升,充分利用MPSo C的并行计算能力是该领域亟待解决的问题.文中研究设计了面向片上众核处理器的物理核到虚拟核分配算法(VPD),该算法通过识别任务执行时的阶段状态特征,动态重组物理核并配置成与任务计算需求相适应的虚拟核,在满足任务的计算资源需求的条件下,实现虚拟核最优分配.最后通过实验将VPD算法与不同的多核/众核处理器环境下的主流调度算法进行比较,结果表明:该算法可适用于多种环境,且效能比其他同类算法平均高5%~10%.     

基于网络处理器的高性能入侵防护系统研究

提出一种基于网络处理器的入侵防护系统模型,该模型基于异构多核计算架构,采用通用x86/IA多核处理器作为应用和控制CPU,运行检测和控制模块,专用网络处理器作为协处理器实现网络层面的处理,两者之间通过PCIE实现高速通信,从而实现高效能、自适应、可扩展的入侵防护系统.用NFE-i8000网络处理器和Intel Xeon E5620四核八线程的通用处理器实现系统原型,并用PHAD异常检测系统作为入侵检测器进行了模拟实验.仿真结果表明,模型不但可提高系统性能,而且按协议类型进行负载均衡的检测结果比按五元组要好.     

基于FPGA面向多媒体处理的MPSoC

针对嵌入式单核处理器处理速度慢及主频提升受限等问题,提出了嵌入式双核处理器(two-cores embedded processor,TEP)模型.针对处理器运行时对存储器的依赖和分配问题,提出了基于非统一存储结构模拟分布式存储结构的方案;针对多核间对共享数据存储器的访存问题,给出了从属单元的仲裁机制,实现了共享资源的访问;针对面向多媒体应用的多核处理器间传输数据量大及通讯开销高的问题,提出了基于消息数据分离的传输方案.系统在FPGA平台进行了实现和验证,测试结果表明,TEP系统以较少的资源消耗和通讯开销获得了大加速比的性能.     

混合式可重构数字多核并行处理器平台

一种高性能、RISC-VLIW融合的多核、可重构数字媒体处理器已经从专利发明顺利形成了一个先进的数据处理器设计平台(Digital Multi-processor Platform)。研发的结果体现若干先进处理器技术的融合。(1)应用:低功耗并行运算处理覆盖数字信号处理(DSP)、数字媒体处理(DMP)和超级并行处理器(SPP)的应用扩展领域;(2)体系结构:精简指令(RISC)和超常指令字(VLIW)处理器融合于同一个可配置的平台;(3)运算能力:处理器群调用异构的通用处理器核,使用两类处理器核实例:通用处理器核(包括ALU等的通用运算)和专用处理器核(包括DDCU的用户自定义运算核);(4)可配置和可重构:硅编译器、SoC集成工具、用户自定义运算单元、多核间的和槽内的流水线、包括运算单元的现场编程;(5)设计自动化平台:专用工具用于设计、分析与验证;与商业电子自动化设计(EDA)流程接口;(6)产品模式:硅知识产权(Silicon IP)、通用处理器芯片系列(IC Series)、定制单片系统(SoC)。命名为Fusion的融合式数字多核处理器平台把数个先进处理器技术集成到一个统一的体系结构和设计环境之中...     

片上多核处理器的结构级功耗建模与优化技术研究

功耗是导致片上多核处理器出现故障的重要诱因,也是片上多核处理器设计的重要制约因素．如何降低多核处理器的功耗并提高处理器能量效率,具有很大的研究意义与探索空间．文中主要从体系结构设计者的角度,并结合电路实现,研究并总结纳米级工艺下片上多核处理器的功耗建模与评估方法,及其不同构件的低功耗优化技术．通过提出创新高效的多核处理器结构级功耗评估方法及其模拟平台,提高多核结构功耗模拟的准确性与灵活性,并以此为依托,开展处理器核、片上网络、片上存储及其一致性协议的各方面优化,寻求提高多核处理器功耗有效性的微体系结构,为国产多核处理器的低功耗设计提供一定借鉴与参考．     

基于OpenMP的文件压缩与解压的并行设计模型

在多核环境下,对文件压缩与解压并行算法进行研究,提出一种基于OpenMP的文件压缩处理并行设计模型。该模型由查找热点代码、并行化分析、并行建模、实现、调试等步骤组成。以动态哈夫曼算法为研究算法,将多核压缩处理并行设计模型应用到文件压缩与解压中。并在文件并行处理过程中,与数据分解法相结合对数据文件进行分割,将分解后的数据由主线程分给多个处理器上的多个子线程来并行处理,以此提高多核处理器的利用率并提高文件压缩效率。最后通过实验模拟验证模型以及算法性能。研究结果表明:在八核处理器下通过对文本文件、图像文件和音频文件等多种不同类型文件进行压缩解压试验,验证了动态Huffman并行算法与串行算法相比其加速比可以达到1.5~8.0倍,性能也得到很大提高。     

一种多核处理器环境下的软件结构及负载均衡

通信网络技术迅速发展对产品的性能提出了更高的要求,多核处理器以其高性能的优点逐渐得到通信厂商的广泛使用.为了发挥多核处理器的潜能,在分析通信网关服务器产品特性的基础上,充分利用服务器的进程功能和特点,研究一种多核处理器环境下的软件结构,提出基于哈希算法的负载均衡,阐述基于动态哈希(hash)算法的负载均衡的设计和实现.不但提高了多核处理器处理用户请求的效率,而且具有强扩展性和高可靠性等优点.     

多核平台的并行实时调度与内存分配算法

多核处理器凭借着低功耗高性能的优势占据了市场.针对多核平台上并行实时任务,提出局部与全局EDF相结合的调度算法,其中任务的截止期划分、执行预算以及迁移时机由所设计的处理器带宽预留服务器决定.同时,提出了内存分配算法,该算法能够更好地为并行实时任务管理内存资源.实验结果表明新的调度算法具有更高的调度成功率.另外,在内存资源竞争的前提下,内存分配算法可以保证并行任务的实时性与系统稳定性.     

多核处理器中基于MapReduce的哈希划分优化

针对传统的并行哈希划分算法不能高效地利用多核处理器的并行资源,且不能较好处理有倾斜的输入数据的问题,提出了一种在多核处理器中基于MapReduce的哈希划分算法,并且提出了存储结构优化、多步划分优化、数据倾斜优化3种优化策略。该算法将输入数据分成若干块后提交给各个线程并行处理,并选择合适的策略避免写冲突,使其能够高效地利用多核处理器的并行资源。文中提出的哈希表能够提高cache效率,从而提升算法的整体性能。引入MapReduce模型可使多步哈希划分在Map过程和Reduce过程中分别进行;数据倾斜优化策略能使算法适应有倾斜的输入数据,且具有较好的效果。实验结果表明:在多核处理器中,文中提出的算法能够适应各种分布的输入数据,并且使哈希划分的整体性能得到提升。     

一种ARM存储模型的快速检测方法

针对ARM多核处理器存储模型正确性的快速检测问题,提出了一种利用时间序和悬空窗口的有界特性的快速检测方法,并实现了检测工具.该方法给出了ARM存储模型基于barrier的弱一致性模型的公理语义,通过定期扫描处理器的性能计数器获得访存指令操作间的时间约束关系.检测工具由随机指令发生模块、多核处理器性能计数器记录模块和结果分析模块3部分组成,它的低算法时间复杂度特性使其能够有效处理上百万行ARM访存指令程序.检测工具使用C++语言实现,可以在运行时动态调整指令流的长度参数,具有很好的扩展性.利用支持ARMMPCore的模拟器进行了实验,并用手工的方法在指令流执行序列中注入了几个错误,以验证程序结果是否违反ARM存储模型.实验结果表明,检测工具能够正确发现上述注入错误,检测方法和检测工具可以有效检测ARM多核处理器存储模型的正确性.     

动态可重构众核处理器仿真平台设计

针对众核处理器,提出了一种基于计算资源划分机制的动态可重构技术.该技术以虚拟计算群为核心,设计了基于硬件支持的动态可重构子网划分和动态可重构的Cache一致性协议以及动态在线的计算资源调度算法,并对系统级多核仿真平台Gem 5进行了扩展.同时,采用实际测试结果验证了众核处理器中动态可重构技术的有效性.结果表明,动态可重构技术可以提高众核处理器的资源利用率,实现动态可重构的Cache一致性协议以及单一矩形物理子网覆盖的子网划分机制.     

SSDA并行算法在无纸化阅卷中空白题识别的应用

图像匹配是图像处理领域的一项重要技术。针对无纸化阅卷系统的主观题评阅,提出了一种结合自适应阈值SSDA(序贯相似性检测算法)和多核多线程并行技术的图像匹配方法,由电脑自动完成主观题空白题的评阅,以提高评阅工作效率。通过螺旋分配多核处理器资源,在多核处理器的每个核心上并行运行SSDA图像匹配,按行列顺序处理待匹配区域,每个核心的匹配结果不断更新阈值,达到提高匹配速度的目的。最后进行实验仿真,可见,与传统的串行算法相比较,本算法能够满足空白题识别中图像匹配的实时性要求,并且有较好的识别效果。