面向多核體系結(jié)構(gòu)的并行優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、當(dāng)前，多核處理器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于從巨型機(jī)、桌面處理器到移動(dòng)終端等各個(gè)計(jì)算領(lǐng)域，計(jì)算技術(shù)已經(jīng)全面邁入多核和眾核時(shí)代。本文回顧了高性能微處理器的發(fā)展趨勢:工藝的影響、體系結(jié)構(gòu)的影響、功耗的因素、應(yīng)用的變化；提出了迎接多核處理器所帶來的挑戰(zhàn)與機(jī)遇：多核并行結(jié)構(gòu)問題、訪存瓶頸問題、功耗問題、支持并行的片上互連問題、多核并行編程問題。本文以當(dāng)前的多核體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，從軟硬件協(xié)同的角度，研究面向多核體系結(jié)構(gòu)的并行優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)，從面向多核的線程級(jí)前瞻（

2、Thread Level Speculation，簡稱TLS）并行優(yōu)化模型、面向多核線程級(jí)并行優(yōu)化的Cache一致性協(xié)議及存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)、多核片上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、線程級(jí)和數(shù)據(jù)級(jí)并行優(yōu)化的同步數(shù)據(jù)觸發(fā)多核體系結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了研究。論文取得的研究成果和主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)描述如下：
　　1.提出了一種面向多核輕量的線程級(jí)前瞻并行優(yōu)化模型。該輕量級(jí)模型基于數(shù)據(jù)鏈表支持線程級(jí)前瞻，包含了并行編程模式、線程前瞻并行設(shè)計(jì)、前瞻并行調(diào)優(yōu)方法、軟硬件數(shù)據(jù)鏈表實(shí)現(xiàn)等

3、方面。所設(shè)計(jì)的并行編程模式較以往系統(tǒng)更加簡潔，利于編譯自動(dòng)化，線程前瞻并行設(shè)計(jì)能有效維持整個(gè)并行程序的正確執(zhí)行，數(shù)據(jù)鏈表的設(shè)計(jì)帶來了良好的獨(dú)立性。本文提出了固定長度寄存器向量鏈表和基于高速緩存的有序鏈表兩種硬件改進(jìn)方案，硬件實(shí)現(xiàn)容易且高效。實(shí)驗(yàn)證明，在核數(shù)較少的多核體系結(jié)構(gòu)上該輕量級(jí)模型具有其他線程前瞻模型相似的良好加速效果，同時(shí)具有設(shè)計(jì)獨(dú)立、靈活等特點(diǎn)。
　　2.提出了一種面向多核結(jié)構(gòu)線程級(jí)并行優(yōu)化的Cache一致性協(xié)議及存儲(chǔ)體

4、系結(jié)構(gòu)。該協(xié)議有效解決了集中檢測機(jī)制帶來的訪問瓶頸問題，為各核之間線程級(jí)前瞻提供了一種分布式協(xié)同方式，為TLS在更多核心的處理器之上應(yīng)用帶來了理論與驗(yàn)證基礎(chǔ)。本文對(duì)所提出的一致性協(xié)議進(jìn)行了完備性進(jìn)行了證明，并進(jìn)行了功能驗(yàn)證和性能測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在核數(shù)較少時(shí)具有和集中檢測模型相似的性能，在更多核心時(shí)具有明顯的可擴(kuò)展優(yōu)勢，同時(shí)可以極大地減少重啟線程次數(shù)。在此基礎(chǔ)上，本文還提出了支持線程級(jí)前瞻的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)，在二級(jí) Cache中設(shè)置了前

5、瞻線程恢復(fù)緩沖區(qū)解決了該一致性協(xié)議在線程切換上支持不足的問題。
　　3.提出了一種多核片上網(wǎng)絡(luò)中線程間數(shù)據(jù)通信性能理論分析模型，以及一種面向線程間通信的可編程片上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。本文首先從宏觀角度提出了一種線程間數(shù)據(jù)通信性能理論分析模型，分析了在片上網(wǎng)絡(luò)中高優(yōu)先級(jí)多播報(bào)文的通信性能特點(diǎn)與對(duì)其它種類報(bào)文的影響。本文的方法基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算理論，推導(dǎo)得出多播報(bào)文在傳播過程中的中間路由的緩存上界以及端到端的延遲上界，該模型為片上網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通信的

6、性能分析提供了切合實(shí)際的理論基礎(chǔ)。隨后，為了支持不同優(yōu)先級(jí)報(bào)文，根據(jù)軟件定義網(wǎng)絡(luò)的思想，作者首次提出了一種多核體系結(jié)構(gòu)中軟件定義的片上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)控制層和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層分離開來。使用者可以靈活地對(duì)片上網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編程，根據(jù)線程間通信的需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，從而提高片上網(wǎng)絡(luò)性能。
　　4.提出了一種高效線程級(jí)和數(shù)據(jù)級(jí)并行的同步數(shù)據(jù)觸發(fā)多核體系結(jié)構(gòu)。該多核體系結(jié)構(gòu)基于傳輸觸發(fā)結(jié)構(gòu)，結(jié)合同步數(shù)據(jù)觸發(fā)思想，具有線程級(jí)前瞻執(zhí)行原理、線程級(jí)前

7、瞻 Cache一致性及存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)，各核之間采用面向線程間通信的可編程片上網(wǎng)絡(luò)，處理單元內(nèi)依據(jù)本文提出的編譯優(yōu)化策略充分挖掘數(shù)據(jù)級(jí)并行，計(jì)算內(nèi)核可以根據(jù)應(yīng)用而優(yōu)化配置。然后，在該多核體系結(jié)構(gòu)上實(shí)驗(yàn) H.264一系列接口程序，得到了較好的線程級(jí)、數(shù)據(jù)級(jí)并行優(yōu)化效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)是一種適用于數(shù)據(jù)密集計(jì)算的高性能多核體系結(jié)構(gòu)。
　　當(dāng)前多核體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)逐步占據(jù)了各個(gè)計(jì)算領(lǐng)域，但是針對(duì)多核結(jié)構(gòu)并行技術(shù)的有效性直接限制了這種體系結(jié)構(gòu)的