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大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着嵌入式技术的迅猛发展，嵌入式领域高端应用对于高性能的嵌入式处理器提出 了更高的要求，多核技术逐步应用到嵌入式的应用开发中。m p s o c 即( m u l t i p r o c e s s o r s y s t e m s o n c h i p ) ，是嵌入式多核处理器的发展趋势，其最大优势是能够针对嵌入式领 域需求的多样性进行“量体裁衣”的定制化设计开发，从而使系统的硬件结构更好的适 应应用需求，使系统整体性能得以最充分的发挥。 相对于传统单核处理器，m p s o c 给设计者提供了更大的自由度，但同时也给设计者 提出了巨大的挑战。面向嵌入式领域的m p s o c 设计首先解决的问题是如何针对固定负载 进行硬件结构的最优化设计。 本文首先回顾了a m d a h l 定律并介绍了h i l l 和m a r t y 关于多核架构的相关研究，在 此基础上给出了考虑并行开销情况下的多核加速比公式。针对嵌入式开发定制化设计的 特点提出一种新的面向嵌入式应用领域的m p s o c 架构，并从理论上分析了在固定多任务 负载的情况下m p s o c 架构的最优化设计问题。 为了对这种新的m p s o c 架构进行实际的性能测试和分析，本文在x i l i n x 公司的 v i r t e x i ip r o 开发平台上建立了m p s o c 验证系统，并从m i b e n c h 基准测试集中选取 d i j k s t r a 算法和s u s a n 算法作为测试程序进行实际测试。实验表明，本文给出的m p s o c 架构针对固定的多任务负载可以有效地缓解系统瓶颈，充分发挥系统整体性能。经对比 测试，本文给出的m p s o c 架构性能要明显优于传统的同构多核架构和h i l l 和m a r t y 提 出的异构多核架构。 关键词：多核；m p s o c ；a m d a h l 定律；最优化设计 大连理丁大学硕士学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm p s o c f r a m e w o r kb a s e do nf p g a a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y ，e m b e d d e da p p l i c a t i o n sm a k e h i g h e rd e m a n d so nt h ep e r f o r m a n c eo fp r o c e s s o r m u l t i - c o r et e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r e ，i s a p p l i e dw i t he m b e d d e dd e v e l o p m e n t m p s o c ( m u l t i p r o c e s s o rs y s t e m s o n - c h i p ) r e p r e s e n t s t h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h em u l t i p r o c e s s o ro fe m b e d d e da p p l i c a t i o n s t h em o s ta d v a n t a g e o fm p s o ci st h a tw i t ht h ed i f f e r e n td e m a n do fe m b e d d e da p p l i c a t i o n si tc a nm a k et h em o s t s u i t a b l ed e s i g ns ot h a tt h es y s t e mp e r f o r m a n c ec a nb em a d eb e s tu s e do f c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ls i n g l e - c o r ed e s i g n ，m p s o cp r o v i d e sd e s i g n e r sw i t hn o to n l y t h em o t ef r e e d o mb u ta l s ot h em o r ec h a l l e n g e t h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e mt ob es o l v e d f i r s t l yo ft h em p s o cd e s i g ni sh o w t om a k eo p t i m a ld e s i g nf o rf i x e dw o r k l o a d t h i sp a p e rr e v i e w st h ea m d a h l sl a wa n dt h er e l a t i v er e s e a r c ha b o u tm u l t i c o r e f r a m e w o r ko fh i l la n dm a r t ya n dg i v e sa na c c e l e r a t o rf o r m u l aw i t hp a r a l l e lo v e r h e a db a s e d o nt h e s er e s e a r c h a i m i n ga tt h ef e a t u r e so fc u s t o m i z a t i o ni ne m b e d d e dd e v e l o p m e n t ，t h i s p a p e rp r o p o s e san o v e lm p s o cf r a m e w o r kt of a c et h ee m b e d d e da p p l i c a t i o na n da n a l y z e st h e o p t i m i z a t i o np r o b l e mo fm p s o cf r a m e w o r kd e s i g ni nf i x e dm u l t i t a s k i n gw o r k l o a df r o mt h e t h e o r y i no r d e rt oa n a l y z et h em p s o cf r a m e w o r k sp e r f o r m a n c e ，t h ep a p e re s t a b l i s ha nf p g a t e s t i n gs y s t e mi nt h ev i r t e x - i ip r op l a t f o r mo fx i l i n xi n c a n dt e s t i tu s i n gt h ed i j k s t r a p r o g r a ma n ds u s a np r o g r a mf r o mm i b e n c h t h ee x p e r i m e n t ss h o w ：t h ep a p e rp r o v i d e sa n e x t e n dm p s o cf r a m e w o r kt h a ti tc a ne f f e c t i v e l yr e l i e v eb o t t l e n e c ka n dg e th i g h e rs y s t e m p e r f o r m a n c ei nf i x e dm u l t i t a s k i n gw o r k l o a d t h er e s u l to ft h ec o m p a r et e s ti n d i c a t et h a tt h e p e r f o r m a n c eo fm p s o c f r a m e w o r kp r o p o s e di nt h ep a p e ri sm u c hb e t t e rt h a nt h ep e r f o r m a n c e o ft r a d i t i o n a lh o m o g e n o u sf r a m e w o r ka n dh e t e r o g e n e o u sf r a m e w o r kp r o p o s e db yh i l la n d m a r t y k e yw o r d s ：m u l t i c o r e ；m p s o c ；a m d a h ll a w ；o p t i m a ld e s i g n i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 二缉墨乏臣缁笪盛2 区! 兰魃丝运聋幺缓绒丝 作者签名： 承蕴毫 日期：丝翌皇年丝月丝日 大连理工人学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 人连理工人学硕十学位论文 1绪论 近年来，由于单核处理器的性能逐渐接近极限，多核技术越来越受到关注。i b m 、 i n t e l 和s u n 等商用处理器制造商陆续推出了面向高端服务器和个人p c 领域的多核处理 器i l j ，如i b m 公司的p o w e r 5 处理器、i n t e l 公司的x e o n 处理器和s u n 公司的u 1 t r a s p a r c t l 处理器等，这些多核处理器的广泛应用使服务器领域和个人p c 领域率先迈入了多核 时代。 随着嵌入式领域的高速发展，尤其是高速视频解码领域、图像处理领域、以及航空 航天领域等都对嵌入式处理器的性能提出了更高的要求，但相对于高端服务器和个人p c 领域多核技术的同渐普及，在嵌入式领域中多核技术的应用却相对较少。究其根本，是 因为追求通用性能的多核处理器无法适应嵌入式应用的多样性和嵌入式设计的定制化 需求造成的。 m p s o c 即( m u l t i p r o c e s s o rs y s t e m s o n c h i p ) ，是嵌入式多核处理器的发展趋势， 其最大优势是可以针对嵌入式领域需求的多样性进行“量体裁衣”的定制化设计开发， 从而使系统的硬件结构更好的适应应用需求，使系统整体性能得以更充分的发挥。目前 国内外对m p s o c 的研究主要集中在设计方法上，而对m p s o c 的可扩展性以及m p s o c 架构 最优化设计的研究相对较少。 本文首先结合a m d a h l 定律和硬件资源评估模型给出了考虑并行开销情况下的同构 多核和异构多核的急速比公式。针对嵌入式开发定制化设计的特点提出了一种面向嵌入 式应用的m p s o c 架构，从理论上分析了固定多任务负载情况下的m p s o c 架构的最优化设 计问题。为了对m p s o c 架构进行实际的性能分析，本文利用x i l i n x 公司的v i r t e x - i ip r o 平台搭建了m p s o c 验证系统，并从m i b e n c h 基准测试集中选取d i j k s t r a 算法和s u s a n 算法作为多任务负载程序进行测试，实验表明，本文提出的可扩展m p s o c 架构针对固定 的多任务负载可以有效地缓解系统瓶颈，获得更高的系统性能。 1 1课题背景 1 1 1 多核处理器的发展趋势 随着单核处理器的内部流水线结构越来越复杂，其电压和发热量成为单核性能提高 的最主要的障碍，i n t e l 和a m d 等芯片硬件厂商已经意识到无法再通过简单提升时钟频 率来提高处理器的性能【2 1 。在单核处理器的性能逐渐接近极限的情况下，多核技术成为 目前进一步提高处理器性能的最佳方案。 一种基丁f p g a 的m p s o c 架构的设计方法与实现 多核处理器是指在一枚处理器中集成两个或多个计算内核，按其计算内核地位是否 相同，多核处理器可以分为同构多核处理器和异构多核处理器。如果一枚处理器中集成 的计算内核结构相同、地位相等，称为同构多核处理器，目前i n t e l 和a m d 等公司推出 的双核、四核处理器都属于同构多核处理器l j 。如果一枚处理器中集成的计算内核结 构不相同、地位不相等，则称为异构多核处理器，异构多核处理器多采用“主处理器+ 协处理器”的体系架构，i b m 、s o n y 和东芝共同推出的c e l l 处理器就是异构多核处理器 的典型代表。 目前多核体系结构的研究已经成为计算机体系结构最主要的研究方向之一，主要集 中在以下几个方面1 5 j ： ( 1 ) 多核处理器内核结构的研究 多核研究的首要问题是针对不同的设计需求多核处理器的设计采用同构多核结构 还是异构多核结构。目- f i i j n 务器领域和个人p c 领域的商用多核处理器主要采用同构多 核处理器架构，而嵌入式领域更适合发挥异构多核处理器架构的优势。虽然根据a m d a h l 定律，理论上异构多核处理器将获得相比同构多核处理器更优的性能，但是针对不同的 设计需求，如何进行多核处理器的最优化设计，始终是多核领域最有价值的研究课题之 一o ( 2 ) 多级c a c h e 设计与c a c h e 一致性的研究 处理器和主存间的速度差极大影响着处理器的整体性能，因此必须在处理器和主存 之间使用多级c a c h e 来缓解。针对不同架构的多核处理器如何设计多级c a c h e ，是目前 多核研究的热点问题。此外由于多级c a c h e 的引入必然造成c a c h e 一致性等问题，采用 何种c a c h e 一致性模型和机制从根本上影响着多核处理器整体性能。 ( 3 ) 多核间通信技术的研究 多核处理器的各处理内核执行程序时必然需要进行数据交互，因此其硬件结构必须 支持有效的核间通信，如何针对各种结构的多核处理器提供高效的核问通讯机制是目前 多核体系结构研究的另一个主要分支。 此外，如基于多核处理器的多任务调度的研究、多核处理器低功耗的研究和多核可 扩展性的研究等都是目前多核研究领域的热点问题。 1 1 2 嵌入式领域的多核应用现状 嵌入式技术的高速发展对嵌入式处理器的性能提出了更高的要求。嵌入式领域相对 于服务器领域和个人p c 领域来说，对系统的功耗和体积的要求更为严格，所以在不过 一2 一 大连理工人学硕士学位论文 分增大系统的整体功耗和体积的前提下，多核技术是最为有效提高处理器的性能的方 法。 2 0 0 5 年，a r m 公司推出了其首款a r m l lm p c o r e 多处理器，其功耗仅为6 0 0 毫瓦， 但具备1 4 4 0d h r y s t o n em i p s 的性能。a r m l lm p c o r e 基于a r m v 6 指令集结构，能够同时 配置卜4 个处理器内核，是一款专门面向嵌入式应用的同构多核处理器。 嵌入式设计的显著特点是针对特定需求进行“量体裁衣”的定制化设计，在这方面 异构多核处理器相比同构多核处理器能够更为灵活的满足不同的应用需求。t i 公司推出 的o m a p 系列处理器就是典型的异构多核处理器【6 】，其架构采用a r m + d s p ，相对于传统的 单核a r m 处理器，其信号处理部分可以放在d s p 上处理，从而提高系统整体的性能，但 由于其架构固定，应用领域有限，仅限于多媒体和信号处理领域。 i b m 、s o n y 和东芝为其高端手持游戏领域联合推出的c e l l 处理器是另一款面向嵌入 式高端领域的异构多核处理器的代表n 它拥有1 个p p e 主处理器和8 个s p e 协作处理 器，c e l l 处理器的实质是一款定制的专用的嵌入式多核处理器，其优异的性能在高端游 戏领域已经得到充分的证明。c e l l 处理器的成功证明了，只有定制出最适合需求的处理 器架构才能获得最优的系统性能。 m p s o c ( m u l t i p r o c e s s o rs y s t e m s - o n c h i p ) ，即片上多处理器系统，是指将多处理器 系统集成在一片芯片中，所以m p s o c 具有多核处理器系统和传统的s o c ( s y s t e m s o n c h i p ) 的共同优点代表着嵌入式多核设计的发展方向。由于m p s o c 具有 良好的扩展性、可定制化设计等特点越来越多的应用在通讯、消费类电子和网络多媒体 等诸多领域中，尤其在提高系统并行性方面显示出巨大优势。通常m p s o c 系统由3 部分 组成：处理器单元、存储单元和片上互连网络，典型的m p s o c 的体系结构如图1 1 所示。 i p r o c e s s o ril a s i c ll d s p ll a s i c ill l l i n t e r c o n n e c t i o nn e t w o r k lll l l p r o c e s f o ri lm e m 。r y | l a s i c l p r o c e s s o r 图1 1m p s o c 结构框图 f i g 1 1 s t r u c t u r eo fm p s o c 近年来，随着f p g a 内部的逻辑资源和寄存器资源越来越多，主流的f p g a 厂商都纷 纷推出了各自的软核解决方案，为了进一步提升f p g a 芯片的性能，f p g a 厂商将高性能 一种基于f p g a 的m p s o c 架构的设计方法与实现 硬核集成到f p g a 芯片内部，如：x l i n i x 的v i r t e x i ip r o 系列的芯片内部集成2 颗高 性能的p o w e r p c 4 0 5 。凭借其优越的性能，高性能的f g p a 平台已经逐渐成为m p s o c 研究 的主要支撑平台。 目前m p s o c 相关研究引起i n t e l 、s u n 和i b m 等大公司的密切关注，a m d 公司在2 0 0 6 年率先启动了基于“f u s i o n ”技术的多核处理器产品路线，标志着其公司逐步从同构多 核的设计转向异构多核的研发。国际顶尖学府如斯坦福大学【8 1 、威斯康辛大学【9 l 等也启 动了一系列针对m p s o c 相关的研究计划。 相对于单核设计而言，在设计m p s o c 系统时设计者必须应对更大的自由度，尤其是 在嵌入式应用开发中，需要针对特定的需求进行定制化设计，所以针对不同的负载任务， 需要多少个处理内核? 内核内部结构采用简单流水线还是复杂流水线? 如何针对不同 的负载任务进行最优化的m p s o c 设计? 这些问题是m p s o c 设计时，设计者首先需要回答 的，但目前这方面的研究和相关理论相对滞后，极大的制约了m p s o c 技术的广泛的应用。 1 2 论文的主要工作 本论文的研究工作主要是从理论上分析了固定多任务负载情况下的m p s o c 架构的最 优化设计问题，针对嵌入式应用开发的特点提出了一种新的m p s o c 架构，并在v i r t e x i i p r o 平台上实现了m p s o c 验证系统。 本论文的主要工作如下： ( 1 ) 结合a m d a h l 定律和硬件资源评估模型给出了考虑并行开销情况下的同构多核 和异构多核的急速比公式。 ( 2 ) 针对嵌入式开发定制化设计的特点提出了一种面向嵌入式应用的m p s o c 架构， 并从理论上分析了固定多任务负载情况下的m p s o c 架构的最优化设计问题。 ( 3 ) 在x i l i n x 公司的v i r t e x i ip r o 平台实现了一个具有6 个处理单元的异构 m p s o c 验证系统，并从m i b e n c h 基准测试集中选取d i j k s t r a 算法和s u s a n 算法作为多任 务负载程序对m p s o c 验证系统进行实际测试。 ( 4 ) 将m p s o c 验证系统的测试结果和单核处理器、同构多核处理器、异构多核处理 器的测试结果进行对比分析。 1 3 论文的组织结构 本文的组织结构如下： 第一章介绍了本课题研究背景、现状及其研究意义，最后说明了本文的组织结构。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 第二章结合a m d a h l 定律和h i1 1 和m a r t y 的多核相关研究，从理论上分析了针对固 定多任务负载的m p s o c 架构最优化问题，并结合嵌入式应用开发的特点给出了一种新的 面向嵌入式应用的m p s o c 架构。 第三章介绍了基于f p g a 平台的m p s o c 系统的设计与实现，重点侧重介绍m p s o c 整 体设计、m p s o c 片上总线、m p s o c 存储结构和m p s o c 核间通讯。 第四章从m i b e n c h 基准测试程序中选择测试程序对m p s o c 系统进行性能测试，并将 本文提出的m p s o c 架构与传统的多核架构进行性能对比分析。 最后结论部分进行了总结，分析了目前研究存在的不足以及下一步的研究计划。 一种基于f p g a 的m p s o c 架构的设计方法与实现 2 m p s o c 架构的设计 m p s o c 是指在一枚芯片上集成多个处理器的复杂s o c 系统，由于具有良好的扩展性、 可定制化设计等特点，m p s o c 越来越多的应用在嵌入式应用领域中【她1 1 】。虽然m p s o c 的 设计可以借鉴传统的并行计算机系统的相关经验，但由于m p s o c 往往需要按照不同的需 求进行定制化设计，所以从根本上决定了m p s o c 的设计要更为复杂，也对开发人员提出 了新的挑战。例如，体系结构的最优化设计、设计方法学、多核架构可扩展性的研究、 n o c ( n e t w o r ko nc h i p ) 的研究、i p 可复用、s o c 验证、可测性设计等方面。 嵌入式应用设计的特点是按照特定需求进行定制化开发，所以面向嵌入式应用的 m p s o c 设计首先要解决的问题就是针对不同的需求如何使m p s o c 系统中的多处理器结构 最优1 1 2 1 3 1 。 本章首先介绍a m d a h l 定律和h 订1 和m a r t y 的多核加速比公式，在硬件资源评估模 型基础上，引入并行额外开销参数w o ，进而对h i l l 和m a r t y 提出的多核芯片加速比公 式进行了修正，针对嵌入式开发的特点提出了一种新的可扩展的m p s o c 架构，并从理论 上分析了固定多任务负载情况下的m p s o c 架构的最优化设计问题。 2 1a m d a hi 定律 嵌入式应用通常针对的是特定的需求，这从根本上决定了嵌入式应用的负载相对固 定。1 9 6 7 年，基恩阿姆达尔( g e n ea m d a h l ) 针对对于固定负载的情况下给出了著名 的a m d a h l 定律【1 4 】。即： 1 s p e e d u p ( f ，疗) 一t ( 2 1 ) 0 一厂) + 土 刀 2 1 式中参数f 是程序中并行部分的比例，卜f 是程序中串行部分所占的比例，1 3 是系统处理器个数。a m d a h l 定律是在不考虑并行开销和通讯延迟的理想情况下得出的， ! 当n 无限大时系统加速比上限为1 一，。 阿姆达尔定理的论点虽然简洁，但是至今依然深刻的影响着计算机体系结构的发 展。目前我们己经逐步跨入多核时代，阿姆达尔定理依然是多核体系架构设计的理论基 础。 人连理t 大学硕十学位论文 2 2 l i 和m a r r y 的多核加速比公式 h i l l 和m a r t y 1 5 j 基于a m d a h l 定律结合多核硬件资源评估模型，给出了在固定任 务负载和不考虑并行开销的前提下给出了同构多核芯片、异构多核芯片和动态多核芯片 给出加速比公式。 2 2 。1 硬件资源评估模型 为了建立硬件资源评估模型，h i1 1 和m a r t y 1 9 】做了两个假设： 假设l ：在固定尺寸和制造工艺的前提下，一片多核芯片内部最多包含n 个b c e ( b a s e c o r ee q u i v a l e n t ，等价基本核) 。每个b c e 实现一个基本处理单元，而其他资源在各 种多核处理器配置中基本保持不变。 假设2 ：体系结构设计者可以运用多个b c e 的资源，构成一个性能更高的单核处理 器。令单个b c e 资源构成的处理单元性能为1 ，设计者可以使用r 个b c e 资源创建一个 串行处理能力为p e r ，( r ) 的强核。 图2 1 为一个内置1 6 个b c e 基本内核的芯片，设计者可以运用r 个b c e 内核创建一个串 行性能为p e r f ( r ) 的强力内核；图2 2 为内置4 个四b c e 内核的对称多核芯片；图2 3 为内 置1 个四b c e 内核和1 2 个单b c e 内核的非对称多核芯片。 图2 11 6 个基本内核芯片 f i g 2 1 1 6b a s ec o r ec h i p 一种基丁f p g a 的m p s o c 架构的设计方法与实现 图2 2 同构多核芯片 图2 3 异构多核芯片 f i g 2 3h e t e r o g e n e o u sm u l t i - c o r ec h i p 如果p e r f ( r ) r ，在能耗和工艺允许的范围内，通过设计单核内部更为复杂的流水 线结构从而获得处理能力更强的单核处理器可以同时加速串行和并行的执行。但在当今 的芯片设计工艺水平下p e r f ( r ) r ，按照p o l l a c k 规则，处理器性能的提升与其复杂性 的平方根成正比。如果一个处理器的硬件资源增加一倍，处理器的性能最大提高4 0 ， 而如果将两个简单的处理器构成一个相同硬件规模的双核处理器，则可以获得7 0 一8 一 大连理工人学硕士学位论文 8 0 的性能提升，同时在面积上也同比缩小。在这种情况下，设计者需要开始权衡：增 强单核的性能可以改进串行的运行，却不利于并行执行。在方程式中，p e r f ( r ) 为任意 函数，s h e k h a rb o r k a r l l 6 】在其研究中曾假设p e r ( r ) = ，我们在本文中假设p e r f ( r ) = ，。， 其中c ( 0 ，1 ) 。 2 2 2 多核加速比公式 ( 1 ) 同构多核芯片：在一片同构多核芯片中，所有内核的结构和地位是相同的。例 如，一片同构多核芯片内部资源预算是n = 9 个b c e ，则该芯片可以设计成包含9 个弱核， 每个弱核资源为1 个b c e ；该芯片也可以设计成包含3 个强核，每个强核资源为3 个b c e ； 当芯片内部资源预算是n 个b c e 时，同构多核芯片可包含n r 个内核，每个内核内置r 个b c e ，每个处理器的性能是p p ，厂( ，) 。式( 2 2 ) 是同构多核芯片的加速比公式。 印e 咖嗍( 加，) 2 1 1 - e # p e r f ( ，) p e r t ( 厂如 ( 2 2 ) ( 2 ) 异构多核芯片：在一片异构多核芯片中，一个或者多个内核比其它的内核功能 要强大一些。针对固定单任务负载情况，h i l l 和m a r r y 提出了1 个性能为p e r f ( r ) 的强 核和n - r 个性能为l 的b c e 内核构成的异构多核芯片，式( 2 3 ) 是异构多核芯片的加 速比公式。 耻却期( 加，) = 1 - 三一f ( 2 3 ) 十 p e r f ( ，) p e r f ( ，) + - ，z 一， ( 3 ) 动态多核芯片：在同构多核和异构多核的基础上，h i l l 和m a r t y 提出了动念多 核的概念。动态多核芯片可以随着不同负载任务的特点，动态调整处理器的结构。式 ( 2 4 ) 是动态多核芯片的加速比公式。 ( 2 4 ) 一种基于f p g a 的m p s o c 架构的设计方法与实现 由于动态多核芯片是h i l l 和m a r t y 针对未来多核处理器架构提出的设想，本文重 点针对同构多核芯片和异构多核芯片的性能进行比较。因为p e r f ( r ) 。，其中c ( 0 ，1 ) ， 所以有1 p p ，( ，) ，。由式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 可知，无论在任何条件下，针对固定 单任务负载异构多核芯片都能获得比同构多核芯片更大的加速比，即异构多核芯片在理 论上相比同构多核芯片可以更有效的消除由于任务负载中串行部分造成的系统瓶颈从 而获得更大的加速比。 2 3 加速比公式的修正及其推论 以上无论是a m d a h l 定律还是h i l l 和m a r t y 的多核加速比公式均是在不考虑并行处 理额外开销的理想条件下得出，实际上并行处理总要有一定的额外开销，我们在h i l l 和 m a r r y 研究的基础上引入并行额外开销参数w o ，总负载参数w 。式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 是 实际上同构多核芯片和异构多核芯片获得的加速比公式。 印e f 却肄构( ，l ，r ，w ，w o ) = ( 2 5 ) 其中额外开销w o 主要与负载大小、处理器个数、多处理结构等因素有关，而在w 固 定的情况下，对w o 的影响很小，所以为了讨论方便，我们假设w o 与，无关。 当考虑到实际额外丌销，如果负载任务并行部分，足够小的时候，用多核处理器并 行所带来的加速将被实际额外开销所消耗掉，设参考量e 作为衡量负载任务是否适合多 核加速的并行比例标准，即当， e 时，适合由多核进行 加速。 对于同构多核芯片，当式( 2 7 ) 成立时厂取临界值，即厂= 倒构，其中p p 吁扩) 为固 定负载由性能为p e r 扩，) 的单核进行处理所获得的加速比。 s p e e d u p l 可构( f ，z ，嵋w o ) 一p e r f ( r ) ( 2 7 ) 大连理工大学硕士学位论文 由式( 2 7 ) 可得式( 2 8 ) 。 硐构：n w o p e r f ( r )( 2 8 )e 同构= k 么石j w ( n - r ) 对于异构多核芯片，当式( 2 9 ) 成立时，取临界值，即，= e 异构，其中p e r ，( ，) 为 固定负载由异构多核芯片中性能为p e r 厂( ，) 的强核单独处理所获得的加速比。 印ee i d m p 异构( ，l ，w ，w o ) = p e r f ( ，) ( 2 9 ) 由式( 2 9 ) 可得式( 2 1 0 ) 。 b异构：woperf(r)perf(r)+n-r w ( n 一，) ( 2 1 0 ) 由此我们可以得到推论1 。 推论1 ：对于一个给定的多核芯片，即肛，p e r f ( r ) 已经固定，当厂 e 时，负载任务适合由多核芯片并行处理。对于同 构多核芯片铜构；n w _ o p e r _ f ( 一r ) ，对于异构多核芯片e 异构；w o p e r f ( r ) p - e r f _ ( r ) + n - r w ( n r )w ( n r ) 2 4 可扩展的m p s o c 架构 我们将研究的对象从固定单任务负载扩展到固定多任务负载，将多任务负载分为两 类不同的负载任务，第一类是适合单核处理的负载任务，即厂 e 。对于第 二类负载任务h i l l 和m a r t y 已经证明由一个强核和多个并行协处理单元构成的异构多 核芯片可以对其进行有效的并行加速。对于第一类负载任务前文中已经证明其不适合由 多核芯片进行并行处理，如果使用h i l l 和m a r r y 的异构多核芯片中的强核进行处理， 又要造成其余( n r ) 个协处理器处于空闲等待状态，使系统总的吞吐率下降，从而影 响系统整体。 一种基于f p g a 的m p s o c 架构的设计方法与实现 针对上述问题，我们在h i l l 和m a r t y 基础上提出一种新的可扩展的m p s o c 架构， 如图2 4 所示。 图2 4 可扩展的m p s o c 架构 f i g 2 4 s c a l a b l em p s o ca r c h i t e c t u r e p a r t l 由一个高性能的p p e l 构成，其负责处理适合由单核进行处理的第一类负载任 务；p a r t 2 由一个高性能的处理单元p p e 2 和若干个并行协处理单元s p e 组成，其负责处 理适合由多核并行处理的第二类负载任务。这样不但使不同的程序可以通过最适合的处 理单元进行处理，而且可以实现串行负载和并行负载的并行执行，进一步提高了系统的 性能。按照h i1 1 和m a r t y 的评估模型，在总资源为1 1 个b c e 的芯片上，设p p e l 由s 个 b c e 构成，其性能为p e r f ( s ) ，p p e 2 由r 个b c e 构成，其性能为p e r f ( r ) ，n - s - r 个并行 协处理单元。图2 5 是n = 1 6 ，s = 4 ，r ：4 时的芯片资源分配图。 大连理上人学硕+ 学位论文 图2 5 异构多核芯片( n = 1 6 ，s = 4 ，r = 4 ) f i g 2 5h e t e r o g e n e o u sm u l t i - c o r ec h i p ( n = 1 6 ，s = 4 ，r = 4 ) 为了在理论上进行性能分析，我们用参数g 表示固定多任务负载中适合使用多核进 行加速的负载比例，则1 一g 为适合使用单核进行处理的负载比例，用参数厂表示适合使 用多核加速的负载中总的并行部分所占比例，则1 一厂为其总的串行部分所占比例，用参 数w 表示总负载，w o 表示由于并行处理产生的额外开销。其加速比为： 印嘶( ， v 刚川一i n 晋，正酝! 毒( 2 1 1 ) p e r f ( r ) p e r f ( ，) + ，l 一，一s w 当负载任务和芯片总资源固定的前提下，即参数g 、厂和n 固定。设式( 2 1 2 ) 、 式( 2 1 3 ) 。 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 一一心 一一一 ； 一 一甜 ) 一一p o 一卜 一种基于f p g a 的m p s o c 架构的设计方法与实现 因为p e r f ( r ) = r r c ( o ，1 ) ，当s ( 1 以) 时，k ( s ) 是s 的增函数，l ( r ，s ) 是s 的减 函数，所以当k o ) = ( ，s ) 时式( 2 1 1 ) 取最大值。这说明在设计多核系统的时候，必 须要对需求进行充分的分析，根据需求中不同任务负载的特点，合理的平衡系统的处理 能力，使多个处理单元的负载相对均衡，避免由于其串行处理瓶颈或并行处理瓶颈出现 导致系统性能的降低。 大连理工人学硕+ 学位论文 3基于f p g a 的m p s o c 的设计与实现 由于m p s o c 具有良好的扩展性、可定制化设计等特点越来越多的应用在通讯、消费 类电子和网络多媒体等诸多领域中f 1 7 。18 1 ，但由于传统的m p s o c 设计存在开发周期长，开 发风险大等缺点限制了m p s o c 广泛的应用。 随着f p g a 芯片内部的资源越来越丰富，f p g a 芯片的性能也得到了大幅度提升，尤 其是近年来以x i l i n x 和a l t e r a 为代表的主流f p g a 厂商纷纷推出其嵌入式解决方案， 使高性能f p g a 平台逐步成为m p s o c 研究和设计的主要支撑平台【1 9 。2 0 l 。 基于f p g a 的m p s o c 设计相对于传统的多核系统设计突出的优势是可以充分利用已 有的i p 核，更为灵活的进行多核系统的设计开发，大大的缩短多核系统设计的开发周 期，而且也有效的降低了多核系统设计的风险。 本章基于x i l i n x 公司的v i r t e x i ip r o 开发平台将第二章提出的m p s o c 架构进行 具体的实现。重点介绍基于f p g a 的m p s o c 硬件整体设计、存储结构设计、总线结构设 计和核间通讯机制等几个方面。 3 1vir t e x - i ip r o 开发平台 本文使用的f p g a 平台为x i l i n x 公司的v i r t e x i ip r o 开发平台【2 。v i r t e x i ip r o 作为第一个平台级f p g a 能够实现超高带宽的系统级芯片设计，它除了具有a s i c 芯片的 优点，又保留了可编程逻辑器件所特有的灵活性。相比于传统的f p g a 丌发平台， v i r t e x i ip r o 由于在f p g a 器件中灵活的集成多种硬和软i p 核，能够更好的适应多种 应用的设计需求。 v i r t e x i ip r o 开发平台除核心芯片x c 2 v p 3 0 以外还集成了大量的扩展接口，其主 要资源如下： ( 1 ) 拥有3 0 ，8 1 6 个逻辑单元； ( 2 ) 两颗p o w e r p c 4 0 5 硬核； ( 3 ) 1 3 6 个1 8 b i t 乘法器； ( 4 ) 2 ，4 4 8 k b 的b r a m ； ( 5 ) x s g a 视频接口； 图3 1 为v i r t e x i ip r o 开发平台实物图，图3 2 为v i r t e x - i ip r o 开发平台系统 结构图。 一种基r f p g a 的m p s o c 架构的设计疗沾与实现 r o t 。a t m i “ ，。： 。，。：。，。：孟。 n 啪1 b b w n 口4 i “0 稍m j ，dl e d 5 甜 1 m n 日t en l 砌 图3lv i r t e x i ip r o 开发平台 f i g3 1 ) e v e o p c r p l a t f o r m f o r v i r t e x - i ip r o 大连理工大学硕士学位论文 e 牡并怕i p 掣哪 ， - la e 9 7 如批c o d e i = 1 5s 黼五巾p m m 耐嘶刚1 ) c 二- 龇。州 l 4 5 5 s 1 7& 拼 r i 魄。r l e 瞻御 2 钳 1 。甜 i 魄盯锄k 咄心 一 i r p 岫棚姚h ( s l l c 融j 亡i 由n t vr t e x -p r o i ”。“，“i 一 一 - l 1 酌o o 酣冒i ；i p 吖 f p g a i t c o m h = g 好- 船m f l c c k l l 灿陪2 艮舰f 2 1 7 e , m h = s a ：t a c l o c kl - 涮a i m p 。n ；汹 l u 搿淑乜霍 m 硼站b 出i 亿n 猢i 憎p 触 li i2 6 e 噼s d r 堋 啊m 叫i i 。 i p h l t o r m r a s h 锄岬嘲如2 l - i 岛m 删融蜘娟删b n 5 澎l - 1 - i 并t o 跏r i e 即n 莉o n 蚍 i u 澎哪涮e 耐曲陷6 i 一一i 恸恻哳廊n 晰 图3 2 v i r t e x i ip r o 开发平台结构图 f i g 3 2 s t r u c t u r eo fd e v e l o p e rp l a t f o r mf o rv i r t e x i lp r o 3 2p o w e r p c 处理器和mic o r bia z e 处理器 3 2 1 p o w e r p c 处理器 p o w e r p c 4 0 5 处理器是i b m 公司p o w e r p c i 2 2 j 架构中最为广泛应用的一款处理器，为了 增强f p g a 芯片的处理能力v i r t e x - i ip r o 系列的f p g a 芯片内嵌了两颗p o w e r p c 4 0 5 硬 核。尽管p o w e r p c 4 0 5 硬核占有硅片面积很小的部分，但却提供了极大的灵活性和强大 的处理能力。由于是把整个处理器嵌入到f p g a 芯片内部，利用x 订i n x 的i p 植入和主 动互连技术，几百个处理器结点是直接连接到f p g a 的逻辑和存储器阵列。这种总体植 入的方式在硬件软件的系统结构中提供了超强的灵活性，并且从根本上解决了传统的 总线连接方式