基于Microblaze同构多核系统及在Soclib平台上的实现

论文摘要

本文研究的是通用的多核处理器体系结构。首先完成在Soclib仿真平台上的验证,然后将整个系统结构移植到FPGA开发板上。本文设计的多核系统是基于Microblaze软核,通过平台FPGA设计技术实现的。核间互连采用OPB总线,通过OPB总线的优先级设置来仲裁每个核对总线的访问控制。每个核都有IP模块来记录编号,在多核的启动过程中,初始的代码装载只能加载到一个核上(主核),因此必须通过核号来区分主核和从核。另外,通过实现的硬件锁完成了对多核的启动和多核的同步的控制。最后将操作系统Mutek移植到该系统上,完成线程调度和任务分配,本课题解决了多核的启动的这一难题,突破了单核处理器的瓶颈,提高了系统的整体性能。该系统结构具有良好的可扩展性,即可以增加内核的数量,也可以替换核间的互连方式,而且由于有操作系统的调度,因此也是进行操作系统的调度和任务划分的良好研究平台。本文对该系统结构进行了测试,除了FFT快速傅立叶变换这些测试基准程序以外,还利用了MJPEG视频解码程序对系统进行功能验证,从解码结果和最终得到的测试数据证明所实现的多核处理器是可靠的、高效的。最后,本文认为在FPGA开发板上实现的该多核处理器系统是多核领域研究的良好平台,据此可以进行有关多核内部结构、处理器整体结构乃至包括内存及总线(互连)的系统级研究,具有一定的学术价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 多核技术背景介绍
• 1.1.1 同构多核技术的研究现状及应用领域
• 1.1.2 异构多核技术的研究现状及应用领域
• 1.2 本文的组织结构
• 2 多核技术与研究平台
• 2.1 多核处理器的软件环境
• 2.1.1 架构仿真
• 2.1.2 应用软件划分
• 2.2 多核处理器的关键技术
• 2.2.1 处理单元的选择
• 2.2.2 核间通信和互连
• 2.2.3 存储器层次结构
• 2.2.4 Cache 一致性问题
• 2.3 Soclib 多核仿真平台
• 2.3.1 Soclib 仿真平台的介绍
• 2.3.2 Soclib 的优点
• 2.3.3 Soclib 仿真平台一些重要的功能模块
• 2.3.4 Soclib 系统的搭建
• 2.4 Xilinx 的FPGA 硬件平台
• 2.4.1 FPGA 技术的介绍
• 2.4.2 FPGA 硬件平台的模块组成
• 3 同构多核系统结构的实现
• 3.1 系统在Soclib 上的实现
• 3.1.1 Soclib 的系统架构
• 3.2 多核系统在FPGA 开发板上的实现
• 3.2.1 架构方案
• 3.2.2 资源评估预算
• 3.2.3 软件接口
• 3.2.4 系统整体架构的设计
• 3.2.5 关键模块的设计与实现
• 3.2.6 Cache 模块添加方案
• 3.2.7 多核的启动流程
• 4 功能验证与结果分析
• 4.1 重要硬件模块的功能验证
• 4.1.1 硬件锁模块的验证
• ID 模块的验证'>4.1.2 PROC_ID 模块的验证
• 4.2 系统功能验证
• 4.2.1 Mutek 操作系统简介
• 4.2.2 多核的启动与运行测试
• 4.3 MJPEG 应用程序的测试
• 4.3.1 MJPEG 简介
• 4.3.2 MJPEG 的多线程任务划分
• 4.3.3 MJPEG 的线程间通信
• 4.3.4 MJPEG 的解码输出结果
• 4.4 FFT 算法的测试
• 4.4.1 FFT 算法的并行度分析
• 4.4.2 FFT 算法针对本文硬件平台的改进
• 4.5 实验数据及分析
• 4.5.1 MJPEG 实验结果（没有Cache 的系统）
• 4.5.2 FFT 实验结果（没有Cache 的系统）
• 4.5.3 综合分析
• 4.6 系统Cache 模块的添加
• 4.6.1 本文最终实现的Cache 模块
• 4.6.2 实验结果
• 4.6.3 只带指令Cache 实现方案的瓶颈
• 4.7 其他系统优化方案
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录1:部分重要硬件模块实现代码
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文