發(fā)布時間：2020-05-26 21:46

【摘要】： 隨著多核處理器已經(jīng)成為主流和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),如何在屏蔽底層細(xì)節(jié)簡化編程的同時充分利用處理器核間的并行性來提高程序性能,已經(jīng)成為編程的一個巨大挑戰(zhàn)。C、C++和Fortran等基于單指令流和統(tǒng)一存儲結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)編程模型已經(jīng)無法適應(yīng)多核處理器結(jié)構(gòu)�；陬I(lǐng)域的數(shù)據(jù)流編程(Dataflow Programming)模型將媒體應(yīng)用特性與程序設(shè)計語言相結(jié)合,在簡化編程的同時,為編譯器在多核處理器下的優(yōu)化提供了大量的并行性,因此受到廣泛的關(guān)注。然而,多核處理器間的通信和同步開銷以及大量媒體處理應(yīng)用的實時性要求對程序的性能提出了新的挑戰(zhàn)。針對以上數(shù)據(jù)流程序所面臨的實時性和代碼的高效性等問題,本文對數(shù)據(jù)流程序編譯所涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。 針對當(dāng)前數(shù)據(jù)流語言的語法不易理解和難以編程的問題,設(shè)計并實現(xiàn)了一種數(shù)據(jù)流編程語言DFBrook和相應(yīng)的編譯系統(tǒng)原型。DFBrook通過在標(biāo)準(zhǔn)C語言中擴(kuò)展數(shù)據(jù)流模型,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)流和C語言的混合編程。程序員可以通過在C語言中嵌入數(shù)據(jù)流代碼來實現(xiàn)對特定程序模塊的數(shù)據(jù)流執(zhí)行。編譯系統(tǒng)對數(shù)據(jù)流語言進(jìn)行識別后,利用同步數(shù)據(jù)流圖作為相應(yīng)的中間代碼表示,同時根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點,對數(shù)據(jù)流程序進(jìn)行并行優(yōu)化,并生成面向目標(biāo)多核處理器的多線程代碼。 為了減小數(shù)據(jù)流程序在多核處理器上的通信開銷,提出了一種針對實時數(shù)據(jù)流程序的低通信軟件流水調(diào)度模型。模型利用整數(shù)線性規(guī)劃理論對軟件流水調(diào)度中的計算、通信資源以及流水線執(zhí)行的階段等進(jìn)行統(tǒng)一的形式化建模,將低通信軟件流水調(diào)度問題表示為一個整數(shù)線性規(guī)劃問題MCRO (Minimizing Communication at Rate-Optimal scheduling),在滿足實時應(yīng)用需求的響應(yīng)時間限制的同時,使處理器核間的通信開銷達(dá)到最小。通過擴(kuò)展MCRO調(diào)度模型,使之適用于DFBrook語言在Cell處理器上的執(zhí)行。將MCRO調(diào)度方法與傳統(tǒng)軟件流水的表調(diào)度List、PAPS (Periodic Admissable Parallel Schedule)以及RO(Rate Optimal)調(diào)度進(jìn)行性能比較,實驗結(jié)果表明,MCRO調(diào)度比表調(diào)度List和PAPS調(diào)度在流水線的計算速率和通信開銷上都有較大的性能改進(jìn),比RO調(diào)度在通信開銷上也有較大的性能提高。 為了滿足多核處理器的內(nèi)存受限結(jié)構(gòu),提出了一種面向存儲受限結(jié)構(gòu)的軟件流水調(diào)度方法。方法基于低通信軟件流水調(diào)度模型,對每個處理器核的存儲資源進(jìn)行擴(kuò)展建模,將內(nèi)存受限軟件流水的調(diào)度表示為一個統(tǒng)一的整數(shù)二次規(guī)劃問題ROMC (Rate-Optimal with Memory Constraints)。通過設(shè)計階段差估計算法將上述二次規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為整數(shù)線性規(guī)劃問題,從而將ROMC問題分解為一系列的子問題,通過有效地求解每一個子問題,最終得到ROMC問題的有效解。同時,設(shè)計階段賦值調(diào)整算法來實現(xiàn)處理器核間的存儲開銷平衡。實驗結(jié)果表明,ROMC調(diào)度方法與現(xiàn)有的方法能取得更優(yōu)的調(diào)度結(jié)果。 為了生成高效的軟件流水代碼,提出一種面向多核處理器的軟件流水代碼生成方法和運(yùn)行時系統(tǒng)設(shè)計。代碼生成器在模塊化的軟件流水代碼生成框架的基礎(chǔ)上,采用單流水核(kernel-only)代碼模型來減小代碼開銷。同時基于Cell處理器給出了運(yùn)行時系統(tǒng)的設(shè)計方法,詳細(xì)討論了地址轉(zhuǎn)換和同步支持等問題,實現(xiàn)了軟件流水代碼和普通代碼的生成。 面向多核處理器的數(shù)據(jù)流程序軟件流水編譯需要研究的問題還很多。在語言的設(shè)計上,需要進(jìn)一步完善對數(shù)據(jù)并行的支持、帶狀態(tài)核函數(shù)的定義和動態(tài)計算速率的支持；在調(diào)度模型上,如何實現(xiàn)對帶有循環(huán)嵌套的數(shù)據(jù)流程序的軟件流水調(diào)度是進(jìn)一步需要研究的問題；在編譯時間上,如何簡化規(guī)劃模型,提高求解速度,特別是減小大數(shù)據(jù)量程序的編譯時間,是另一個需要進(jìn)一步研究的問題。
【圖文】：

器為編譯器在代碼調(diào)度、局部存儲分配、通信管理和同步延遲等方面提供了更大的靈活和優(yōu)化空間。圖2.3為目標(biāo)多核處理器結(jié)構(gòu)框圖，該處理器由一個控制處理器或者主處理器 (Masterprocessor)和若干個數(shù)據(jù)處理器或者從處理單元 (SlaveproeessingElement)組成。主處理器采用通用的處理器架構(gòu)，具有較高的主頻和2級。ache結(jié)構(gòu)(類似于PowerPC處理核);每個從處理單元含有一個局部存儲、DMA和路由設(shè)備Router，局部存儲用于存放在本處理器上運(yùn)行代碼和數(shù)據(jù)，DMA用于在各個從處理器的局部存儲器間以及局部存儲器與片外主存之間傳輸數(shù)據(jù)。從處理單元只能訪問屬于自己的本地存儲單元，因此任何數(shù)據(jù)必須通過DMA進(jìn)行顯式的傳輸�！焖此� 舜舜舜舜 奧奧奧奧奧 奧奧麟麟 DDDMAAAAADMAAAAADMAAA MMMasteFFFFFInterconneCtionnnnnnnnnnnnnnnnnppp代沁 eSSOrrrrrrrrr.只廿嘩hlppp門 門 門 門門門 emoryyy圖2.3目標(biāo)多核處理器結(jié)構(gòu)框圖程序一般采用主從方式執(zhí)行:程序開始在主處理器上執(zhí)行，主處理器產(chǎn)生線程，將線程的數(shù)據(jù)和代碼調(diào)度到相應(yīng)的從處理單元的局部存儲中，并觸發(fā)從處理器運(yùn)行，從處理器執(zhí)行相應(yīng)的代碼

一次循環(huán)迭代作為一個任務(wù)，被分成若干階段，，各個階段在不同的處理器上執(zhí)行，當(dāng)一個處理器完成了它負(fù)責(zé)的階段后，結(jié)果就作為輸入傳送到流水線中的下一個處理器。圖3.2給出了一個基于多核處理器的軟件流水調(diào)度例子，圖左邊為一個數(shù)據(jù)依賴圖，Kl執(zhí)行后利用DMA，將數(shù)據(jù)傳給K2執(zhí)行，圖右邊為對應(yīng)的流水線的調(diào)度表。計算任務(wù)被分為3個階段，第0個處理器核執(zhí)行任務(wù)的第一個階段Kl后，開始立即啟動一個新任務(wù)，流水線開始是空的。在第0個處理器核完成處理后，結(jié)果用DM人傳輸?shù)降?處理器核
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TP332

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2682451