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.     

基于多核处理器的PLC控制程序并行执行

针对可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的编程语言不支持程序的并行编译,无法使控制程序并行执行于多核处理器的问题,根据功能块图的可拆分性,提出了用有向无环图(Directed Acyclic Graph,DAG)任务模型表示PLC控制程序的方法,并采用静态列表任务调度算法,优化DAG中的任务节点在不同CPU核上的分配调度,解决了PLC控制程序并行执行时会遇到的通信延时问题。此外,针对变量资源的竞争问题提出了使用互斥量的方法。实验结果表明,此方法能有效地将PLC控制程序并行运行在多核处理器上,大大缩短了程序的执行时间。     

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...     

异构多核处理器多发射动态调度技术研究

随着多核处理器片上集成核数的不断增多，并行任务的调度能力越来越成为制约性能提升的关键因素。文章设计一种面向异构多核计算系统的动态任务调度控制器，主要实现动态监控处理单元的负载情况、动态任务唤醒、乱序任务发射、任务写回安全管理等功能；研究一种降低计算任务结果数据回写双倍数据速率(double data rate, DDR)外存储器次数的方法，大幅节省了访存开销，进一步提升了计算性能。仿真及性能测试显示，在典型应用场景下，与已有的无动态调度功能的任务发射控制器相比，实现了显示并行化编程向任务并行的自动化控制过渡，编程友好度显著提高，在不同类型的测试案例中，分别提升了11.3%～37.9%的计算性能。     

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.     

基于多核的粗粒度2.5维电磁场正演并行算法

基于CPU多核处理器实现了粗粒度2.5维电磁场并行正演算法, 使用OpenMP对串行算法的频率域进行粗粒度分解, 主线程进行任务分配, 从线程在CPU多核上并行计算各频率域电磁场值, 并分析了OpenMP并行效率与模型及核心数目的关系. 多组不同模型测试结果表明, 本文并行方法与串行方法得到的数值结果相同, 并获得了接近CPU逻辑核心数目的性能提升.     

面向高通量应用的众核处理器任务调度

具有高通量特征的大数据应用已成为目前数据中心的主流应用,这些应用在传统处理器平台上的运行效率不高,原因之一是任务调度的低效。针对高通量应用的一些典型特征以及现有任务窃取算法的不足,该文提出一种程序行为和环境感知的任务调度机制,通过软硬件结合实现了处理器核的分区管理和任务的分级调度,减小了不同应用之间因争用共享资源对性能产生的不利影响,同时利用线程相似度高的特点提高指令缓存的命中率,从而提升系统的整体吞吐率。初步的模拟评估表明:该算法在混合负载情况下性能明显优于现有算法的,在测试的混合负载中平均优于现有算法20%。     

片上多核中一种共享感知的数据主动推送Cache技术

针对片上多核处理器的二级Cache访问延时持续增加以及并行程序在运行时线程间执行速率差异大的问题,提出了一种基于共享感知的数据主动推送Cache技术(SAAPC).SAAPC技术充分考虑并行程序的系统性能由速度最慢的线程所决定这一重要特性,根据并行线程间读数据共享程度高以及共享读数据访问局部性好的特征,采用基于指令的方法来预测共享读数据流,在后行线程需要共享数据之前将其主动推送至该线程的一级Cache中去,从而减少较慢线程的数据访问延时,提高执行速率,降低较慢线程与先行线程间执行速率的差异.SAAPC技术避免了预取技术所带来的额外片外带宽增加的缺点.使用SESC模拟器对来自于SPLASH2测试程序集的5个存储敏感型并行程序进行了测试仿真,结果表明,与传统的共享Cache相比,使用SAAPC技术减少了并行线程间执行速率的差异,系统的每周期指令数平均提高了7%,最高达到13.1%.     

多核系统上任意2序列公共元素的并行查找

文章依据多核系统共享二级缓存和私有一级缓存的容量,采用数据多级分块技术、数据局部性原理和循环并行优化方法,设计了多核系统上存储高效、线程级并行、扩展性好的任意2序列公共元素的并行查找算法。结果表明,该文所给算法充分发挥了多核系统的软硬件特性,获得了良好的加速比和可扩展性。     

多核并行测试系统研究

针对传统测试程序在并行测试中效率提升不明显的问题,结合测试流程提出了基于任务、数据、数据流的3种分解方法,以解决测试中的可并行性分解问题.将大幅增加了并行能力的多核(MCP)技术引入并行测试平台,使得任务并行度的实时性进一步得以提升,进而提出了基于工作量的并行测试任务调度策略,优化了MCP平台的测试流程与任务调度,解决了单核测试程序对MCP技术利用率不高的问题.实验结果表明,基于MCP的测试平台较之单核平台的测试效率可提升30%～50%.     

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。     

基于多线程归并排序算法设计

为解决传统递归方式的归并排序算法串行执行效率低的问题, 使用数据依赖关系分析方法对归并排序算法进行并行性分析。通过分析发现算法本身具有并行的特征, 在多核处理器下使用OpenMp编译制导语句对算法进行直接并行化处理。在数据量较大的情况下, 为了使算法执行的速度更快, 在多核处理器系统中设置多个线程, 并将序列分成多个组, 每个线程操作一组数据, 最后对多个局部有序的结果进行逐一合并。实验验证结果表明, 该并行化算法可使执行速度提高50%以上。     

一种针对汽车三维虚拟仿真系统的多线程渲染优化方法

针对汽车三维虚拟现实仿真系统在多核平台下的渲染效率和CPU利用率较低的这一问题,提出了一种基于OpenMP的多线程渲染优化方法。该方法采取了设置动态线程数量、策略调度以及渲染帧并行绘制等策略,对汽车三维虚拟现实仿真系统渲染过程中的初始化阶段、逻辑阶段以及渲染阶段进行并行优化。在多核平台上进行了实验,结果表明,该方法能有效地提高系统的渲染效率和CPU 利用率,改善CPU的负载均衡。     

多发射处理器的指令调度算法研究

RISC体系作为精简指令集计算机的兴起,使得多发射处理器的指令调度算法成为研究热点.本文从程序块划分和执行角度,讨论了多发射处理器的指令调度算法,介绍了几种局部指令和全局指令调度的影响力较大的算法.它们通过指令调度的优化,提高多发射处理器内部功能部件的执行并行性.本文还给出了进一步研究方向,构造多发射结构多处理器并行处理系统,实现处理器之间的并行技术和处理器内部的并行技术的整合.     

多核多线程并行求解线性方程组

线性方程组求解在科学与工程计算领域具有广泛的应用.文章依据多核计算机共享二级缓存和私有一级缓存的容量,采取将线性方程组的增广矩阵按行划分并合理地分布存储到各级缓存中,各个处理核以多线程方式并行计算矩阵行的方法,给出了一种在多核计算机上实现的线程级并行求解n阶线性方程组的算法.实验结果表明,与原Gauss-Seidel并...     

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.     

基于多核处理器的入侵防御系统

随着高速以太网的广泛应用和网络入侵行为的日益复杂化,对网络入侵防御系统性能的要求越来越高.通过对传统入侵防御系统工作原理的分析,设计并实现了基于多核处理器的入侵防御系统.通过对系统中的多核处理单元进行分组,并构建共享缓冲队列实现工作组间的数据传递,使得系统在多核处理器环境下能够并行工作.试验结果表明,改进后系统的效率有显著提高,丢包率也明显降低.     

多发射处理器的指令调度算法研究

RISC体系作为精简指令集计算机的兴起,使得多发射处理器的指令调度算法成为研究热点。本文从程序块划分和执行角度,讨论了多发射处理器的指令调度算法,介绍了几种局部指令和全局指令调度的影响力较大的算法。它们通过指令调度的优化,提高多发射处理器内部功能部件的执行并行性。本文还给出了进一步研究方向,构造多发射结构多处理器并行处理系统,实现处理器之间的并行技术和处理器内部的并行技术的整合。     

一种基于循环并行模式的多核优化方法

从并行编程模式角度出发,分析了计算稠密型程序基于多核平台的优化方法,并结合循环并行模式与OpenMP、Intel parallel studio工具实现了对部分连接神经演化(PARCONE)模型的多核优化.优化结果表明,基于循环并行模式的设计方法是实现计算稠密型程序多核优化的一种快速有效方法.