面向嵌入式多核系統(tǒng)的并行程序優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、傳統(tǒng)上嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以低功耗為首要目標(biāo),但是隨著計(jì)算密集型的嵌入式應(yīng)用不斷擴(kuò)展,對性能要求、功耗要求的不斷提高,嵌入式系統(tǒng)最近已經(jīng)轉(zhuǎn)向高性能嵌入式計(jì)算。面對日益復(fù)雜的嵌入式應(yīng)用,片上多核處理器(CMP)已成為高性能嵌入式計(jì)算的一個有效解決方案。CMP采用多個性能適中的處理核心提高能量效率,使用高的任務(wù)級并行或者線程級并行提高整個處理器的性能。在嵌入式領(lǐng)域,如何充分利用CMP帶來的高性能和低功耗技術(shù)對并行程序在嵌入式多核平臺上的應(yīng)用提出

2、了很大挑戰(zhàn)。
　　對于嵌入式多核系統(tǒng)來說,低功耗和高性能是其核心特征之一,因而,如果無法有效地利用片上多核處理器技術(shù)并對應(yīng)用程序進(jìn)行有效地的并行計(jì)算,勢必會影響建立在其上的各種應(yīng)用的性能,并且造成資源和能源的浪費(fèi),這對資源和能耗要求甚高的嵌入式領(lǐng)域來說,這種情況是不可忍受的。因此,針對嵌入式應(yīng)用,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高性能低功耗的并行計(jì)算方法,是嵌入式多核系統(tǒng)能否取得廣泛應(yīng)用需解決的核心問題之一。
　　鑒于上述原因,本文深入分析了當(dāng)前

3、高性能嵌入式計(jì)算采用的性能和功耗優(yōu)化方法,重點(diǎn)圍繞嵌入式多核平臺的并行編譯設(shè)計(jì)及并行程序優(yōu)化等問題進(jìn)行研究,本文的主要工作和技術(shù)創(chuàng)新概述如下:
　　首先,提出了面向嵌入式多核系統(tǒng)平臺的OpenMP并行編譯方法,并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展OpenMP并行指導(dǎo)語句,實(shí)現(xiàn)了OpenMP并行優(yōu)化。以嵌入式操作系統(tǒng)eCos為實(shí)例,基于共享式存儲并行編程模型OpenMP為嵌入式多核平臺設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個源到源的并行編譯器。提出了基于嵌入式多核層次存儲結(jié)構(gòu)

4、的OpenMP并行循環(huán)優(yōu)化算法,擴(kuò)展了OpenMP循環(huán)的并行制導(dǎo)語句tiling,從而提高嵌入式多核平臺上的并行編程效率和并行性能,最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了擴(kuò)展語句在嵌入式多核平臺上的有效性和應(yīng)用性能。
　　其次,提出了面向并行程序應(yīng)用的嵌入式多核系統(tǒng)運(yùn)行時動態(tài)優(yōu)化方法。針對在受帶寬、數(shù)據(jù)競爭及數(shù)據(jù)同步不當(dāng)?shù)纫蛩赜绊懙亩嗑€程并行程序中增加線程的數(shù)量會明顯降低性能的問題,本文提出了一個基于并行程序結(jié)構(gòu)的性能分析模型,該模型把程序的并行區(qū)劃

5、分為完全并行和臨界區(qū)部分,使得在運(yùn)行時能夠動態(tài)分析出具有最佳性能時的線程數(shù)。為了減少因線程之間的負(fù)載不均衡造成的性能和能耗浪費(fèi),本文還提出了基于該運(yùn)行時框架的動態(tài)調(diào)度方法,該方法針對并行循環(huán)動態(tài)選擇調(diào)度方法,并根據(jù)線程負(fù)載狀況調(diào)整調(diào)度塊大小實(shí)現(xiàn)性能均衡。最后基于嵌入式多核平臺對運(yùn)行時動態(tài)優(yōu)化框架進(jìn)行了驗(yàn)證和評估,實(shí)驗(yàn)表明,該框架以及運(yùn)行時優(yōu)化方法能夠很好的適用于嵌入式多核系統(tǒng),為并行應(yīng)用提升性能。
　　第三,提出了面向并行線程負(fù)載

6、的低功耗執(zhí)行模型。為了避免并行應(yīng)用程序在嵌入式多核平臺上因負(fù)載不均衡造成的能耗浪費(fèi),本文首先對并行線程執(zhí)行負(fù)載進(jìn)行分析,結(jié)合動態(tài)電壓頻率調(diào)整(DynamicVoltageandFrequencyScaling,DVFS)提出并實(shí)現(xiàn)了一個低功耗執(zhí)行模型,然后,本文提出并實(shí)現(xiàn)了一個基于該模型的線程執(zhí)行頻率控制算法,使得運(yùn)行時系統(tǒng)可以根據(jù)并行線程的負(fù)載不均衡性狀況動態(tài)調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率,在不影響并行程序運(yùn)行性能的情況下,降低程序運(yùn)行的能耗。最后基于

7、模擬的嵌入式多核平臺對模型進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明,本文設(shè)計(jì)的低功耗執(zhí)行模型能夠在2.2％的性能損失的情況下為嵌入式多核平臺上的并行應(yīng)用程序節(jié)省平均13%的能量消耗。
　　第四,提出了基于能量效率的反饋式動態(tài)電壓頻率調(diào)整(DVFS)方法。根據(jù)并行應(yīng)用的特點(diǎn),該方法將將并行程序的性能和能量消耗綜合考慮,采用能量效率的能量延遲積(Energy-DelayProduct,EDP)衡量基準(zhǔn),通過反饋式的動態(tài)電壓頻率控制框架,在并行程序運(yùn)行初期發(fā)