面向服務(wù)的異構(gòu)多核片上系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究及實現(xiàn).pdf

1、隨著半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展，異構(gòu)多核片上系統(tǒng)可以集成多個具有不同功能的處理器核，并充分利用各處理器核的性能優(yōu)勢對多種特定類型的任務(wù)進(jìn)行加速，能夠同時滿足嵌入式應(yīng)用在芯片面積、計算性能、功耗等多方面的需求，因而被廣泛應(yīng)用于嵌入式計算領(lǐng)域。然而，隨著嵌入式應(yīng)用的日益普及和芯片集成度的不斷提高，異構(gòu)多核片上系統(tǒng)的設(shè)計面臨著越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其中包括:1）如何提高系統(tǒng)硬件平臺的靈活性，以適應(yīng)經(jīng)常變化的嵌入式應(yīng)用需求;2）如何提高系統(tǒng)中處理器核的應(yīng)

2、用效率，以充分利用系統(tǒng)的性能潛力;3）如何為異構(gòu)多核片上系統(tǒng)建立形式化模型，特別是準(zhǔn)確刻畫其復(fù)雜的動態(tài)行為特征，以幫助設(shè)計人員對系統(tǒng)軟/硬件設(shè)計的正確性和性能進(jìn)行驗證和評估。
　　 本文針對上述問題分別展開研究，所做的主要工作及創(chuàng)新特色包括:
　　 1)通過在系統(tǒng)軟/硬件設(shè)計流程、模塊通信接口與并行編程模型等方面提供對動態(tài)部分重構(gòu)特性的支持，將動態(tài)部分重構(gòu)技術(shù)與面向服務(wù)的異構(gòu)多核(SOMP)體系結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，以提高系統(tǒng)

3、的靈活性。本文在基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的開發(fā)板上實現(xiàn)了具有動態(tài)部分重構(gòu)特性的SOMP原型系統(tǒng)，從而驗證了本文提出的設(shè)計方法的正確性。此外，為了證明動態(tài)部分重構(gòu)特性的有效性，本文還通過實驗對原型系統(tǒng)的重構(gòu)開銷和動態(tài)部分重構(gòu)特性引入的資源開銷等進(jìn)行了評估。
　　 2)本文對Amdahl定律進(jìn)行了擴(kuò)展，將Amdahl定律應(yīng)用于異構(gòu)多核片上系統(tǒng)。根據(jù)擴(kuò)展，我們對處理器核配置、可并行化任務(wù)的比重、任務(wù)劃分策略等因素對系統(tǒng)性能的影

4、響進(jìn)行了量化分析，并從理論上指出了為獲得系統(tǒng)最高性能應(yīng)滿足的條件。該擴(kuò)展對優(yōu)化異構(gòu)多核片上系統(tǒng)設(shè)計并提高系統(tǒng)應(yīng)用效率具有指導(dǎo)意義。
　　 3)充分發(fā)掘應(yīng)用的任務(wù)級并行度是提高多核系統(tǒng)應(yīng)用效率的有效方法之一。為此，本文對異構(gòu)多核片上系統(tǒng)的自動化任務(wù)并行方法進(jìn)行了研究。通過將多核任務(wù)視為抽象指令，我們首次將指令級的記分牌算法擴(kuò)展到異構(gòu)多核片上系統(tǒng)，提出了任務(wù)級記分牌調(diào)度方法。該調(diào)度方法能動態(tài)地檢測任務(wù)間的依賴關(guān)系并自動將任務(wù)分配到不

5、同的處理器核上并行執(zhí)行，以提高應(yīng)用的任務(wù)級并行度。我們在SOMP原型系統(tǒng)上實現(xiàn)了任務(wù)級記分牌調(diào)度方法，并通過實驗將它與其它先進(jìn)的動態(tài)調(diào)度方法進(jìn)行了對比。對比實驗的結(jié)果證明了任務(wù)級記分牌調(diào)度算法具有較低的運行時調(diào)度開銷。
　　 4)本文使用形式化語言——有色Petri網(wǎng)對異構(gòu)多核片上系統(tǒng)進(jìn)行了建模。與以往的研究工作不同的是，本文提出的有色Petri網(wǎng)模型不僅可以描述系統(tǒng)的處理器核、存儲單元和任務(wù)等靜態(tài)元素，還能夠?qū)ο到y(tǒng)運行過程中的