基于多线程应用的异构多核体系设计与实现

论文摘要

多核结构近年来无论在市场上还是在研究领域都占据了绝对的主导地位,天生的线程级并行处理能力是它能够成为焦点的主要原因。在同构多核结构不断被完善改进的同时,异构多核的研究更显得关键。对于特定的应用来说,每个处理器都不相同的异构多核结构无疑是更好的选择:将应用中具有不同特点的部分进行拆分,然后分别放到最适合的处理器上执行,使每个处理器各尽所长,每个部分都得到最好的执行效果。本文的主要贡献就是提出并实现了一种针对特定多线程应用程序的异构多核结构。首先从指令集角度揭示了异构多核结构的本质,然后分析了现行异构多核结构大多不支持操作系统动态调度的缺点,并提出一种通过扩展指令集的方法构建的异构多核结构设计方案,对此方案的结构及工作模式做了详细的论述。此方案构建的异构多核结构支持操作系统的动态调度,而且还兼有同构多核结构的特点。另外,本文还给出了该结构在Tensilica平台上的实现方案。并且将运行Motion Jpeg程序得到的数据与其在其他结构下运行的数据相比较和分析,验证了此异构设计方案的正确性以及高效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.3 研究内容及难点
• 1.4 本文主要工作及组织结构
• 1.4.1 本文主要工作
• 1.4.2 本文组织结构
• 2 多核体系结构设计研究概述
• 2.1 单核结构设计
• 2.2 多核组织结构设计
• 2.3 同构多核与异构多核架构特性
• 2.3.1 同构多核处理器
• 2.3.2 异构多核处理器
• 2.4 核间互联及存储方式
• 2.4.1 片上互联结构
• 2.4.2 总线共享存储简介
• 2.4.3 异构多核片上通信
• 2.5 多核仿真平台的发展
• 2.5.1 SimpleScalar 仿真平台
• 2.5.2 SocLib 仿真平台
• 2.6 本章小节
• 3 异构多核结构设计
• 3.1 异构结构的需求
• 3.2 异构结构深入分析
• 3.2.1 不同角度看异构结构
• 3.2.2 异构的指令集本质
• 3.2.3 设计方案需求分析
• 3.3 异构多核结构
• 3.3.1 整体方案
• 3.3.2 指令集关系
• 3.3.3 片上缓存
• 3.3.4 核间互联及存储方式
• 3.4 异构方案工作方式
• 3.4.1 系统运行方式简述
• 3.4.2 系统运行流程示例
• 3.4.3 工作方式深入讨论
• 3.5 核间通信模型
• 3.5.1 Master Core 与Supporting Core 通信
• 3.5.2 Supporting Cores 之间通信
• 3.6 本章小结
• 4 异构方案实现
• 4.1 Tensilica 仿真平台
• 4.1.1 Xtensa 处理器
• 4.1.2 Tensilica 工具集
• 4.1.3 扩展指令集（TIE –Tensilica Instruction Extension）
• 4.2 操作系统
• 4.2.1 Mutek 简述
• 4.2.2 Mutek 结构分析及移植
• 4.3 多线程应用程序
• 4.3.1 Motion JPEG 概述
• 4.3.2 Motion JPEG 解码模块分析
• 4.4 异构多核系统实现
• 4.4.1 配置基础Xtensa 处理器
• 4.4.2 Xtensa 处理器TIE 扩展优化
• 4.4.3 Xtensa 处理器扩展及Motion JPEG 线程优化
• 4.4.4 整体系统搭建
• 4.5 本章小节
• 5 异构方案试验验证
• 5.1 单核结构与三核结构的比较
• 5.2 双核结构与三核结构的比较
• 5.3 本章小节
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录