外文翻譯---基于高性能嵌入式多核mpsoc的多線程系統(tǒng)設(shè)計（英文）

1、<p><b>　　中文3300字</b></p><p>　　基于高性能嵌入式多核MPSoC的多線程系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　摘要：本文重點(diǎn)介紹了移植多線程系統(tǒng)(OpenMP），將它作為高性能嵌入式系統(tǒng)中的一種編程模型。一個好的編程模型如OpenMP，將提高程序員的工作效率，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低成本。但為了滿足嵌入式開發(fā)人員對系統(tǒng)設(shè)計時所需具備實(shí)時性

2、和多線程管理等要求，OpenMP應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，它必須是能夠支持映射不同的軟件任務(wù)或組件，對每個設(shè)備都配置相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　1、背景</b></p><p>　　多核和同步多線程的硬件技術(shù)的快速發(fā)展，決定著市場上的各種應(yīng)用程序開發(fā)領(lǐng)域的走向。多核技術(shù)的應(yīng)用，提高了計算能力，降低能耗，擴(kuò)大設(shè)計空間，并且提高了多處理器系統(tǒng)（MPSoCs）在嵌入

3、式應(yīng)用的性能。嵌入式系統(tǒng)將變得更加復(fù)雜，多核硬件也將在同一臺設(shè)備上實(shí)現(xiàn)更多的功能。系統(tǒng)的復(fù)雜化使得嵌入式產(chǎn)品開發(fā)中的軟硬件設(shè)計更加困難，使得嵌入式系統(tǒng)的分區(qū)，調(diào)度，正確性驗(yàn)證，質(zhì)量控制和質(zhì)量保證等問題更加嚴(yán)峻。</p><p>　　本文將介紹移植OpenMP，以適應(yīng)現(xiàn)有的共享內(nèi)存編程接口，符合高性能嵌入式應(yīng)用的規(guī)范。文中將提出新的語言功能作為指定符號，可以被上一層應(yīng)用程序調(diào)用，它允許非功能性特征的限制，如截止日期

4、，優(yōu)先級等。如何用改寫OpenMP使其能在不同的嵌入式設(shè)備上運(yùn)行。由于我們也需要明確的接口規(guī)范和部件之間的數(shù)據(jù)傳輸，其結(jié)果將是一個混合型分布/共享的編程模型，該模型可用于各個任務(wù)的嵌入式應(yīng)用程序，以及它們之間的相互作用?；贠penUH中的Open64以及編譯器，這將是評現(xiàn)有系統(tǒng)的重要依據(jù)。</p><p>　　2、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計2.1 硬件</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)設(shè)計普遍是在并

5、行系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。 MPSoCs由多個處理單元組成，如RISC處理器、數(shù)字信號處理器（DSP）、特定于應(yīng)用程序的指令的處理器（ASIP）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）、SIMD處理器，加速器等。另外其內(nèi)核是異步流處理器，MPSoC的存儲器系統(tǒng)也可以是異步，可以作為處理器訪問的存儲塊的一個部分。德州儀器（TI）達(dá)芬奇[1]和OMAP 3[2]是RISC+ DSP的配置。德州儀器（TI）TNETV3020[3]和TMS320TCI6488[4]

6、，隨著內(nèi)核數(shù)增加和異質(zhì)性增強(qiáng)，同時非對稱芯片多處理（AMP）和對稱芯片多處理（SMP）技術(shù)的發(fā)展 [5] ，擁有的多個子系統(tǒng)的MPSoCs將會在不久將來出現(xiàn)。</p><p><b>　　2.2 嵌入式應(yīng)用</b></p><p>　　嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用大致可分為事件驅(qū)動計算和數(shù)據(jù)擴(kuò)展。在事件驅(qū)動的應(yīng)用中，像汽車的嵌入式系統(tǒng)，它的特征在于信號的輸入及其響應(yīng)，一個給定的輸

7、入事件從在嚴(yán)格時間限定中，無法執(zhí)行完數(shù)據(jù)的采集計算。另一種是數(shù)據(jù)擴(kuò)展應(yīng)用，如無線基礎(chǔ)設(shè)施，在此系統(tǒng)中，流經(jīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)流量大，并在需要對大量的數(shù)據(jù)流進(jìn)行計算，這種系統(tǒng)的計算復(fù)雜性的增加。這種系統(tǒng)需要有最佳的軟件/硬件配置來實(shí)現(xiàn)性能上的條件，同時滿足成本。在無線和多媒體等應(yīng)用中，往往增加系統(tǒng)復(fù)雜性，增多在軟件中的功能，來幫助縮短設(shè)計周期。此外，使用簡化應(yīng)用程序的專用指令集處理器（ASIP），摒棄通用微處理器，來降低成本、提高電源效率[6]。

8、</p><p>　　2.3 編程嵌入式系統(tǒng)</p><p>　　現(xiàn)有的編程模式對于來創(chuàng)建嵌入式系統(tǒng)是十分不利。嵌入式應(yīng)用程序通常為了滿足嚴(yán)格的性能，要求接近硬件的編程語言，如C語言或匯編語言。由于資源限制的設(shè)備，高性能嵌入式系統(tǒng)使用Java或C是不切實(shí)際的?，F(xiàn)今，MPSoCs開發(fā)逐步占主導(dǎo)地位，以適應(yīng)現(xiàn)有的編程語言，而不是設(shè)計新的并行編程語言?，F(xiàn)今編程MPSoCs行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，雖然已

9、經(jīng)提出了一些。特別是，多核協(xié)會提出了他們提到的通信API（CAPI）[7]，但這種模式尚未形成完整的傳遞模型。</p><p>　　總體上，使用不同的編程語言和運(yùn)行環(huán)境針對于各種不同的系統(tǒng)，各個機(jī)制相互作用，設(shè)計和開發(fā)軟件采用松散結(jié)合的方法，為不同的設(shè)備單獨(dú)編寫不同的代碼。例如，基于GPU的編程模型[8,9]符合GPU的設(shè)備，但不適合于通用CPU。OpenCL的[10]是最近推出的GPU編程作為一個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。一些

10、供應(yīng)商已經(jīng)定義了自己的語言或擴(kuò)展了C語言，來量身定制其設(shè)備（例如ClearSpeed公司的CN和英特爾的CT）硬件擴(kuò)展性。</p><p>　　數(shù)據(jù)流及其運(yùn)算往往在嵌入式使用流編程模型時被提及。其特點(diǎn)包括：高數(shù)據(jù)速率、大數(shù)據(jù)容量（數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)處理單元之間的數(shù)據(jù)流）。如信號和圖像處理、語音和視頻數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)壓縮和加密、手機(jī)基站、財務(wù)建模和HDTV編輯控制臺。流媒體程序通常有兩個層面。每個內(nèi)核中電平控制內(nèi)核執(zhí)行的順序和

11、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流。內(nèi)核級的實(shí)際計算每個流元素，從大量的相關(guān)研究表明這種模式優(yōu)勢是顯而易見的 [11,12]。</p><p>　　3、OpenMP和OpenUH</p><p>　　OpenMP是一個被廣泛采用的共享內(nèi)存并行編程接口，提供高層次的編程結(jié)構(gòu)，使用戶能夠輕松地調(diào)用觀察應(yīng)用程序的任務(wù)和并行循環(huán)方式。最近通過添加明確的任務(wù)功能[13] ，它的適用范圍更加擴(kuò)大。 由英特爾，ClearSp

12、eed，PGI和CAPS SA公司將OpenMP作為出發(fā)點(diǎn)，提出了異構(gòu)系統(tǒng)的編程模型。</p><p>　　3.1 OpenMP的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　大多OpenMP的編譯器用一個簡單的方式（概述[14]或內(nèi)聯(lián)[15]），將OpenMP編譯為多線程代碼。由于在編譯中許多執(zhí)行細(xì)節(jié)往往不知道，所以實(shí)際工作必須進(jìn)行動態(tài)分配計算。確保OpenMP結(jié)構(gòu)的存在但又要不妨礙順序優(yōu)化的編譯器，這對于

13、實(shí)施的復(fù)雜性很高。因此一個高效的運(yùn)行時序管理是至關(guān)重要的。</p><p>　　IBM提供了一個OpenMP編譯器[16]，呈現(xiàn)給用戶的共享存儲器，他們主要集中優(yōu)化DMA傳輸和內(nèi)存之間數(shù)據(jù)傳輸。這種方式導(dǎo)致性能降低，但創(chuàng)造一個更加用戶友好的界面[17]。在多個RISC和DSP內(nèi)核組成的MPSoC基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了OpenMP。語言的擴(kuò)展提出決定了一個并行區(qū)域?qū)?zhí)行在RISC或DSP平臺，是否支持DMA傳輸。該編譯器[

14、18]實(shí)現(xiàn)目標(biāo)與共享變量，減少和同步機(jī)制有關(guān)。但是，他們不依賴于系統(tǒng)的實(shí)時性或特定于平臺。</p><p>　　4、嵌入式OpenMP編程模型</p><p>　　一個統(tǒng)一的編程標(biāo)準(zhǔn)，對于不同的設(shè)備在MPSoCs編程十分方便。在本文中首先要考慮的不是OpenMP。隨著其EXOCHI執(zhí)行支持，英特爾建議使用OpenMP。他們的目標(biāo)是促進(jìn)在OpenMP并行區(qū)域的代碼到不同的硬件組件的映射。CA

15、PS[22]在執(zhí)行層面提供了另一種更接近于我們所提出的模型。其設(shè)定的OpenMP擴(kuò)展針對異構(gòu)共享和分布式內(nèi)存系統(tǒng)，并規(guī)范程序執(zhí)行的加速器。然而，它們各自的特點(diǎn)在局限范圍內(nèi)。PGI[23]提供了一個基礎(chǔ)對OpenMP的概念異構(gòu)系統(tǒng)編程的代碼區(qū)域被標(biāo)記為加速API。ClearSpeed公司也有原型的OpenMP擴(kuò)展加速器[24]。</p><p>　　研究人員已經(jīng)提出了通過擴(kuò)展OpenMP來促進(jìn)流媒體應(yīng)用，并完善任務(wù)

16、結(jié)構(gòu)和支持點(diǎn)與點(diǎn)之間的同步任務(wù)[25]。Carpenter等人[26]提出了一系列OpenMP的指令編譯C程序，將不同代碼編譯成適合各種映射到不同的架構(gòu)的指令。這種方法的缺點(diǎn)是，它并沒有用戶映射配置手動功能。此外，他們的工作在嵌入式架構(gòu)上還未實(shí)現(xiàn)。支持流編程模型的ACOTES項(xiàng)目也正在探索 [27]。</p><p>　　圖1 用OpenMP定義多個組件，嵌套的并行性和任務(wù)的優(yōu)先級</p><

17、p>　　5、內(nèi)核分析：多核DSP下實(shí)現(xiàn)的OpenMP</p><p>　　在此內(nèi)核分析中，我們提供了一個已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)OpenMP，基于TI TMS320C64x+處理器高性能的嵌入式多核（參見圖2）。我們的目標(biāo)是完成以下任務(wù)：</p><p>　　利用OpenMP提供必要的控制程序執(zhí)行和高層次調(diào)用，開發(fā)共享為主的分布式內(nèi)存編程模型。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)一

18、個適用于各本行業(yè)的處理器編程模型。</p><p>　　針對不同的處理器和內(nèi)存配置，開發(fā)相應(yīng)的編譯器工具。</p><p>　　結(jié)合OpenUH性能及其開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)編程模型。</p><p>　　評估整個嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序的性能。</p><p>　　圖2 多核C64+多處理器單晶片框圖</p><p>　　5.1、

19、多核DSP系統(tǒng)5.1.1 、TMS320C64x+ VLIW DSP</p><p>　　TMS320C64x+是一個完全流水線化的VLIW處理器，它在每個周期執(zhí)行的8條指令。所有的指令可以保護(hù)為靜態(tài)變量。該C64x+為德州儀器的C6X系列（圖3），提供了一套整型指令。它有64個靜態(tài)的通用寄存器，劃分為兩個寄存器類別。一小部分的寄存器可用于存儲。TMS320C64x+另外說明填充數(shù)據(jù)SIMD（單指令多數(shù)據(jù)），為

20、可變長的指令，硬件循環(huán)緩沖區(qū)[28,29]。</p><p>　　圖3 c64x+處理器內(nèi)核</p><p>　　TI C6X嵌入式DSP（數(shù)字信號處理）的應(yīng)用，如電信和圖像處理。這些應(yīng)用程序運(yùn)行需花費(fèi)大量的時間，程序表現(xiàn)出指令高度并行、計算嚴(yán)格循環(huán)嵌套。程序設(shè)計流水線化是并行開發(fā)的許多功能單元的關(guān)鍵。</p><p><b>　　6、結(jié)果</b&g

21、t;</p><p>　　從現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，來評估各個運(yùn)算模塊的執(zhí)行時序的性能。我們在C64x + MPSoC環(huán)境上，執(zhí)行一個簡單的OpenMP矩陣乘法的運(yùn)算程序和一個點(diǎn)積（即減少了一個臨時變量）。在執(zhí)行程序時的進(jìn)程同步，并使用MSGQ等可擴(kuò)展的方法，使相關(guān)的開銷減小，提高了并行應(yīng)用程序的執(zhí)行效率。一個簡單的優(yōu)化，包括內(nèi)核共享內(nèi)存時實(shí)現(xiàn)同步，使得系統(tǒng)的開銷顯著減少。</p><p>　　

22、圖6 各個程序效率和負(fù)載</p><p><b>　　7、結(jié)論</b></p><p>　　綜上闡述，根據(jù)上述文中闡述的多種增強(qiáng)功能， 將OpenMP的嵌入式系統(tǒng)作適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展，將會成為一個合適的和高效的編程模型。高性能嵌入式系統(tǒng)中摒棄了一些通用處理器上的功能，如內(nèi)存管理單元，同步緩存系統(tǒng)，以及統(tǒng)一的內(nèi)存存取時間等。進(jìn)一步擴(kuò)展OpenUH，使其成為多核嵌入式DSP系統(tǒng)在

23、高速緩存中的OpenMP編譯器，從而使嵌入式操作系統(tǒng)變得高效。這項(xiàng)工作是在它的早期階段，下一步將全面落實(shí)當(dāng)前的OpenMP和進(jìn)一步為嵌入式系統(tǒng)探索語言擴(kuò)展。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] T. Instruments, TMS320DM6467 Digital Media System-on-Chip, December 2

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