面向嵌入式多核系統(tǒng)的并行程序優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、傳統(tǒng)上嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是以低功耗為首要目標,但是隨著計算密集型的嵌入式應用不斷擴展,對性能要求、功耗要求的不斷提高,嵌入式系統(tǒng)最近已經(jīng)轉(zhuǎn)向高性能嵌入式計算。面對日益復雜的嵌入式應用,片上多核處理器(CMP)已成為高性能嵌入式計算的一個有效解決方案。CMP采用多個性能適中的處理核心提高能量效率,使用高的任務(wù)級并行或者線程級并行提高整個處理器的性能。在嵌入式領(lǐng)域,如何充分利用CMP帶來的高性能和低功耗技術(shù)對并行程序在嵌入式多核平臺上的應用提出

2、了很大挑戰(zhàn)。
　　對于嵌入式多核系統(tǒng)來說,低功耗和高性能是其核心特征之一,因而,如果無法有效地利用片上多核處理器技術(shù)并對應用程序進行有效地的并行計算,勢必會影響建立在其上的各種應用的性能,并且造成資源和能源的浪費,這對資源和能耗要求甚高的嵌入式領(lǐng)域來說,這種情況是不可忍受的。因此,針對嵌入式應用,設(shè)計和實現(xiàn)高性能低功耗的并行計算方法,是嵌入式多核系統(tǒng)能否取得廣泛應用需解決的核心問題之一。
　　鑒于上述原因,本文深入分析了當前

3、高性能嵌入式計算采用的性能和功耗優(yōu)化方法,重點圍繞嵌入式多核平臺的并行編譯設(shè)計及并行程序優(yōu)化等問題進行研究,本文的主要工作和技術(shù)創(chuàng)新概述如下:
　　首先,提出了面向嵌入式多核系統(tǒng)平臺的OpenMP并行編譯方法,并在此基礎(chǔ)上擴展OpenMP并行指導語句,實現(xiàn)了OpenMP并行優(yōu)化。以嵌入式操作系統(tǒng)eCos為實例,基于共享式存儲并行編程模型OpenMP為嵌入式多核平臺設(shè)計并實現(xiàn)了一個源到源的并行編譯器。提出了基于嵌入式多核層次存儲結(jié)構(gòu)

4、的OpenMP并行循環(huán)優(yōu)化算法,擴展了OpenMP循環(huán)的并行制導語句tiling,從而提高嵌入式多核平臺上的并行編程效率和并行性能,最后通過實驗驗證了擴展語句在嵌入式多核平臺上的有效性和應用性能。
　　其次,提出了面向并行程序應用的嵌入式多核系統(tǒng)運行時動態(tài)優(yōu)化方法。針對在受帶寬、數(shù)據(jù)競爭及數(shù)據(jù)同步不當?shù)纫蛩赜绊懙亩嗑€程并行程序中增加線程的數(shù)量會明顯降低性能的問題,本文提出了一個基于并行程序結(jié)構(gòu)的性能分析模型,該模型把程序的并行區(qū)劃

5、分為完全并行和臨界區(qū)部分,使得在運行時能夠動態(tài)分析出具有最佳性能時的線程數(shù)。為了減少因線程之間的負載不均衡造成的性能和能耗浪費,本文還提出了基于該運行時框架的動態(tài)調(diào)度方法,該方法針對并行循環(huán)動態(tài)選擇調(diào)度方法,并根據(jù)線程負載狀況調(diào)整調(diào)度塊大小實現(xiàn)性能均衡。最后基于嵌入式多核平臺對運行時動態(tài)優(yōu)化框架進行了驗證和評估,實驗表明,該框架以及運行時優(yōu)化方法能夠很好的適用于嵌入式多核系統(tǒng),為并行應用提升性能。
　　第三,提出了面向并行線程負載

6、的低功耗執(zhí)行模型。為了避免并行應用程序在嵌入式多核平臺上因負載不均衡造成的能耗浪費,本文首先對并行線程執(zhí)行負載進行分析,結(jié)合動態(tài)電壓頻率調(diào)整(DynamicVoltageandFrequencyScaling,DVFS)提出并實現(xiàn)了一個低功耗執(zhí)行模型,然后,本文提出并實現(xiàn)了一個基于該模型的線程執(zhí)行頻率控制算法,使得運行時系統(tǒng)可以根據(jù)并行線程的負載不均衡性狀況動態(tài)調(diào)節(jié)運行頻率,在不影響并行程序運行性能的情況下,降低程序運行的能耗。最后基于

7、模擬的嵌入式多核平臺對模型進行驗證。實驗表明,本文設(shè)計的低功耗執(zhí)行模型能夠在2.2％的性能損失的情況下為嵌入式多核平臺上的并行應用程序節(jié)省平均13%的能量消耗。
　　第四,提出了基于能量效率的反饋式動態(tài)電壓頻率調(diào)整(DVFS)方法。根據(jù)并行應用的特點,該方法將將并行程序的性能和能量消耗綜合考慮,采用能量效率的能量延遲積(Energy-DelayProduct,EDP)衡量基準,通過反饋式的動態(tài)電壓頻率控制框架,在并行程序運行初期發(fā)