多核程序设计-2
多核处理器体系结构及并行程序设计

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Floating Point
Integer
Floating Point
Integer
L1 D-Cache and D-TLB
L1 D-Cache and D-TLB
Even 2 floating point threads can be executed at the same time now (per processor) as there are multiple floating point execution units
– 只共享系统总线,独立缓存 – 高性能,资源冲突少
9
双核技术 VS. 超线程技术
• 双核是真正意义上的双处理器
– 不会发生资源冲突 – 每个线程拥有自己的缓存、寄存器和运算器
• 一个3.2GHz Smithfiled在性能上并非等同于3.2GHz P4 with HT 的2 倍
Integer
Rename/Alloc uop Queues Schedulers
BTB & I-TLB Decoder
Trace Cache
Floating Point
uCode ROM
2 threads CANNOT be executed at the same time (per processor) if
BTB & I-TLB Decoder
Trace Cache
Floating Point
uCode
ROM
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多核技术与超线程技术的结合
Dual Core
2 threads/socket
Dual Core with Hyper-Threading
基于多核的OpenMp并行程序设计

基 于 多核 的O p enMp并 行 程 序 设 计
彭 曦 顾炳根 李展 涛 (桂林理工大学 信 息科 学与工程 学院 广西 桂林 541004)
摘 要 : 介绍 多核计算 的出现和 一种面 向共享存储 器的 多处理器 多线程并行 编程语 言OpenMp,然后再 以一个 实例来说 " ̄OpenMp在多核 下如何进 行并行程 序设 计,通过计算 加速 比说 明使用OpenMp编程后程序 执行效率得 到显著提 高
OpenMP是 一种 面 向共 享存 储器 的多处 理器 多 线程 并行 编程 语 言 ,线 程 间通 过共 享变 量传 递数 据结 果 。OpenMP标 准形 成 于1997年 ,它 是一 种API, 用于 编 写可 移植 的 多线 程应 用 程序 。OpenMP程 序 设计 模 型提 供 了一 组 与平 台无 关 的编 译指 令 、指 导命 令 、 函数 调用 和环 境变 量 ,可 以显 式地 指 导编 译器 如何 以及何 时利 用 应用 程 序 中的 并行 性 。OpenMP通 过对 原有 的 串行 代 码 插 入 一 些 指 导 性 的注 释 ,并 进 行必 要 的修 改 ,可 以 快 速 的 实现 并 行 编 程 ,而 这些 注释 的解 析 由编译 器所 完成 。 目前 ,C,c++,Fortran语 言都 支 持OpenMp,所 有OpenMp的并 行化 都 是通 过使用 嵌 入到c,c++或 Fortran源 代 码 中 的编 译制 导语 句来 达到 的 。
Structured—block
OpenMP的所有 编 译指 导 语句 以#pragma omp开 始 ,其 中directive部分 就 包 含 Openllel for、
section、 sections、 single、 master、 critical、 flush、 ordered,
《基于FPGA的多核处理器系统的研究与设计》范文

《基于FPGA的多核处理器系统的研究与设计》篇一一、引言随着科技的快速发展,处理器性能的需求不断提升,传统单核处理器已经难以满足日益增长的计算需求。
因此,多核处理器系统成为了研究的热点。
本文以基于FPGA(现场可编程门阵列)的多核处理器系统为研究对象,对其进行了详细的研究与设计。
二、研究背景及意义FPGA作为一种可编程的硬件设备,具有高度的并行性、灵活性和可定制性,因此被广泛应用于高性能计算、信号处理等领域。
而多核处理器系统则通过集成多个处理器核心,实现了更高的计算性能和更快的处理速度。
将FPGA和多核处理器系统相结合,可以构建出高性能、高灵活性的多核处理器系统,对于提高计算性能、降低功耗、增强系统稳定性等方面具有重要的意义。
三、FPGA多核处理器系统的设计(一)系统架构设计基于FPGA的多核处理器系统主要由多个FPGA芯片组成,每个FPGA芯片上集成了多个处理器核心。
系统采用共享内存的方式,实现了各个处理器核心之间的数据交换和通信。
此外,系统还包含了控制模块、接口模块等部分,以实现系统的整体控制和外部接口的连接。
(二)处理器核心设计处理器核心是FPGA多核处理器系统的核心部分,其设计直接影响到整个系统的性能。
在处理器核心设计中,需要考虑指令集设计、数据通路设计、控制单元设计等方面。
指令集设计需要考虑到指令的兼容性、可扩展性和执行效率;数据通路设计需要考虑到数据的传输速度和带宽;控制单元设计则需要考虑到处理器的控制流程和时序。
(三)系统通信设计系统通信是FPGA多核处理器系统中非常重要的一部分,它涉及到各个处理器核心之间的数据交换和通信。
在系统通信设计中,需要考虑到通信协议的设计、通信接口的选择、通信速度和带宽等方面。
常用的通信协议包括总线协议、消息传递协议等,需要根据具体的应用场景进行选择和设计。
四、系统实现与测试(一)硬件实现在硬件实现阶段,需要根据设计要求选择合适的FPGA芯片和开发工具,完成电路设计和布局布线等工作。
多核技术

多核技术魏宇新(电子信息科学与技术12-2)摘要:多核技术就是把多个处理器集成在一个芯片内,是对称多处理系统的延伸,设计的主要思想是通过简化超标量结构设计,将多个相对简单的超标量处理器核集成到一个芯片上,从而避免线延的影响,并充分开发线程级并行性,提高吞量。
关键词:多核技术概念,产生,分类,技术,应用。
文献标识码:AMulti-core technologyW E I Y u x i nAbstract:Multi-core technology is the integration of multiple processors in a single chip, is a symmetric multiprocessing system extension, the main idea is that by simplifying the design of a superscalar design, the number of relatively simple superscalar processor core integrated into a on the chip, thereby avoiding the influence line extension, and thread-level parallelism to fully develop and improve throughput capacity.Keywords: multi-core technology concept generation, classification, technology and application0引言所谓“双核技术”,就是在处理器上拥有两个一样功能的处理器核心,即将两个物理处理器核心整合人一个内核中。
两个处理核心在共享芯片组存储界面的同时,可以完全独立地完成各自地工作,从而能在平衡功耗的基础上极大地提高CPU性能。
C语言中的并行计算与多核处理器编程

C语言中的并行计算与多核处理器编程C语言是一门广泛应用于嵌入式系统、操作系统和科学计算等领域的高级编程语言。
它以其高效性和灵活性而闻名,而并行计算和多核处理器编程是当今计算机领域中的热门话题。
本文将详细介绍C语言中的并行计算和多核处理器编程,包括并行计算的概念、多核处理器的原理以及如何有效地在C语言中实现并行计算。
一、并行计算的概念并行计算是指多个操作同时进行,以提高计算速度和系统性能的计算方式。
与串行计算不同,串行计算是指按照顺序逐个执行操作。
并行计算的主要形式有数据并行和任务并行。
数据并行是指将大规模的数据集分解成多个小规模的数据集,然后分配给多个处理器同时处理。
任务并行是指将一个大任务分解成多个小任务,然后分配给多个处理器同时执行。
二、多核处理器的原理多核处理器是指在一个物理芯片上集成了多个处理器核心,每个处理器核心都具有独立的运算和存储能力。
多核处理器通过并行计算的方式,可以同时执行多个任务,提高系统的性能。
多核处理器采用了多级缓存、数据共享和并行调度等技术,以实现任务的分配和协调,从而更有效地利用处理器的资源。
三、C语言中的并行计算在C语言中实现并行计算需要依赖并行计算库和多线程编程技术。
常用的并行计算库有OpenMP和MPI。
OpenMP是一种基于共享内存的并行计算库,可以通过在代码中插入指令来实现并行化。
MPI是一种基于消息传递的并行计算库,用于在不同处理器之间进行通信和协调。
同时,C语言还提供了多线程编程技术,可以通过创建多个线程来实现并行计算。
四、多核处理器编程在多核处理器编程中,任务的划分和调度是关键。
可以通过任务划分和负载均衡来实现有效的并行计算。
任务划分是将一个大任务分解成多个小任务,然后分配给多个处理器核心执行。
负载均衡是保持各个处理器核心的工作量大致相同,避免出现任务执行时间过长或者某个处理器核心空闲的情况。
在C语言中,可以使用线程库如pthread来创建多个线程,并利用线程的特性进行任务划分和负载均衡。
多核计算机上的并行计算

表 1用算法 2进行求和并行计算 的加速 比和效率
双核
P
l 2
四核
, %) r I ( P
1 2
ts ()
05l . 5 O
.
S p
ts ()
"
S p
19 3 "9
m( ) %
9 6 9. 4
o r ut n + C f d ci ( :C) ; re o
3 结语
通过 以上算例在各种 环境 下的运行 结果可 以看 出,拥 有 多核 C U的计算 机实际上是并行计算机 ,串行程序 只使 用 了 P
多核 C U的一个核 ,由于多核 C U拥有共享 主存 ,因此 对于 P P
变 ,由于设计理 念的不 同 ,在单 核 C U上运行 良好 的软件或 P 者传统 的算法不 能使多核 C U发挥其 最大效 能 ,要想 高效利 P 用 多核 C U,就必 须将 编程 思想从 “ P 串行 ”转 变 到 “ 行 ” 并 上 ,改进 原有 的程序 和算法 。
算法 2 ( 使用 O e MP的归约求 和算法) pn
得满意的多核并行效果 。
k n + ) C[ D + < ;k + i 】 =a[ 【】 ] i k 】 b【】 D; k 】}
算法 4 (p n O eMP环境下矩阵乘积并行算法)
# n l d o .> i c u e< mph
m i an 0
{ o p stn m tra s ( po ); # rg a o p p rl l m — e u _h e d N rc _ pa m m aa e l
fr ( l <= ;i + s m= u i o i ;i n + ) u s m+ ; = }
2009并行计算与多核程序设计03-04并行计算基础

并行性措施及困难
一、并行性措施
时间重叠:时间上错开,轮流重叠使用硬件:如流水线 资源重复:空间重叠,以量取胜 资源共享:多用户按时间顺序轮流使用同一套资源:如分时系统 任务分配非常困难
二、并行性困难
可并行性:任务的并行性划分和分发
算法对并行性的限制
算法不仅与问题有关,还与硬件有关
/fatlab
(a)二叉树
(b)星形连接
(c)二叉胖树
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网络参数
/fatlab
浙 江 大 学 软 硬 件 协 同 设 计 实 验 室
静态互连网络与动态互连网络
静态互连网络
处理单元间有着固定连接的一类网络,在程序执行期 间,这种点到点的链接保持不变;典型的静态网络有 一维线性阵列、二维网孔、树连接、超立方网络、立 方环、洗牌交换网、蝶形网络等 用交换开关构成的,可按应用程序的要求动态地改变 连接组态;典型的动态网络包括总线、交叉开关和多 级互连网络等。
8
浙 江 大 学 软 硬 件 协 同 设 计 实 验 室
静态互连网络----二维网孔
N×N二维网孔(2-D Mesh)
/fatlab
每个节点只与其上、下、左、右的近邻相连(边界节点除外), 节点度为4,网络直径为 2N-1,对剖宽度为N 在垂直方向上带环绕,水平方向呈蛇状,就变成Illiac网孔了,节 点度恒为4,网络直径为N-1,而对剖宽度为2N 垂直和水平方向均带环绕,则变成了2-D环绕(2-D Torus), 节点度恒为4,网络直径为2[N/2],对剖宽度为2N
处理机之间的通信开销限制
当通信开销大时并行处理技术得不偿失
基于MPICH的多核并行程序设计

消息传递编程模型 , 义了一个 实现消息传递模 型标准 的程 定
序库 , 最终 目的是服务于进程 问通 信这一 目 标 。M I 并 P合
了包括异构性管理 、 模块化 程序创 建 、 迟 ( 步操作 ) 理 延 异 管
以及全局操作 ( 集合操作 ) 等各方面 的复杂支持 , 成功地成 为 并行计算机的标准编程模型 J 。 MPC IH是一种最 重要 的 MP I实现 , 版 本开 发 与 MP 其 I 规范制定 同步 , 现行 最新版本为 M I H PC 2—10 8 可以从 h— .. , t
力 。在 这种 背景 下 , 主 流 处 理 器 厂 商 纷 纷 将 产 品 战 略 从 提 各
MPC I H是 MP 一2的完全实 现。MPC I IH除包 含 MP 函数库 I 之外 , 还包含 了一套程 序设计 与运行环 境 ( 包括 并行性 能可
视化分 析 工 具 和 性 能 测 试 工具 等 ) 支 持 U I Lnx和 , N X、 iu
核 的存 在 , 需要 把 软 件 设 计 成 多 进 程 , 且 将 这 些 进 程 与 底 并
其 主要特 点是 : 开放源码 ; 高效率 、 ① ② 可移植性好 、 功能强 大 ; 支持 多核 ( l—o ) 多程序 多数据 ( ut l por ③ Mutcr 、 i e m lpe rga i m
个原因 : 一是半导体 工艺 的逐渐 提高 ; 二是 处理器 体系结 构 的不断发展。但 是 , 进入 2 世纪 以来 , l 传统 的处理器体 系结
构技术 已面临瓶颈 , 处理器集成 的晶体 管数 目已经超 过上亿
个, 很难单纯通过提 高主频 来提 升性能 , 而且 主频 提高 的同 时也带来 功耗 的增加 , 从而直接促使处理器 从单核 向多 核发 展。另一 方面 , 日益 复杂 的多媒体 、 学计算 、 业智 能 、 科 商 数 据挖掘 、 图像处理等多个应用领域都呼唤更 为强大 的计算 能
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2008年8月18日
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浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
处理器的频率提高遭遇瓶颈
在90年代是处理器性能的唯一标尺 长久以来在摩尔定律指引下保持高速发展
CPU速度每18个月提高一倍 而价格下降为原来的二分之一 频率对于处理器综合性能的影响力开始减弱。 同样可以拥有其标称值(PR)性能
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浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
超线程技术的优点(续一)
超线程技术的优点还在于,它通过添加少数的硬件以及软 件支持的“小付出”做到了提高CPU的使用率、提高系统 性能的“大回报” 有数据表明,超线程技术的使用利用5%的硬件投入使系 统性能提高了25%!
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浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
超线程技术的优点(续二)
超线程技术在Web服务、SQL数据库等很多服务器领域的 应用中表现优异; 主流的桌面芯片组基本都已可以支持超线程技术,用户无 需额外的花费; Windows XP已经针对超线程技术做出优化,在运行多个 不支持多线程的程序时,性能也可能会获得提高。即便带 来损失,也会显得比较轻微; 在某些支持多线程的软件应用上能够得到30%左右的性 能提升,如3dsmax、Maya、Office、Photoshop等。 Intel甚至在一项测试中取得了90%的提高。
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浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
双核处理器的挑战与未来
双核的挑战——功耗 双核处理器面临的最大挑战之一就是处理器能耗的极限! 性能增强了,能量消耗却不能增加。 双核的未来——多核 多核处理器看来将成为未来的发展方向
Intel双核心处理器Smithfield
简单把两个Pentium 4所采用的Prescott核心整合在同一个处理 器内部 两个核心共享前端总线 每个核心都拥有独立的1MB二级缓存 两个核心加起来一共拥有2MB
Hyper-Threading
双核
两个厨师分开煮两个食物 双核心还会拥有Hyper-Threading技术,即代表两个厨师两只手,同一时间可以 运作四个线程。
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浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
技术剖析-Intel篇
从原理上来说,超线程技术属于Intel版本的多线程技术 超线程技术中的两个逻辑处理器没有独立的执行单元、整数单元、寄 存器甚至缓存等资源。它们在运行过程中仍需要共用执行单元、缓存 和系统总线接口 在执行多线程时,两个逻辑处理器交替工作 如果两个线程都同时需要某一个资源时,其中一个要暂停并要让出资 源,要待那些资源闲臵时才能继续 因此,超线程技术所带来的性能提升远不能等同于两个相同时钟 频率处理器带来的性能提升。可以说Intel的超线程技术仅可以看做是 对单个处理器运算资源的优化利用。
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浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
与HT(超线程)技术对比
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浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
单核
一位厨师在同一时间只能做出一道美味的菜肴 下一道菜必需等上一道菜完成后才可以继续 起一个炉头做饭 一个厨师用两手同一时间熟两个食物 效率比单线称处理好些 有很多限制
超线程技术如何工作?
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浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
超线程如何工作?(续一)
1. 2. 3.
4.
两个逻辑处理器都处于空闲等待状态,等待请求执行的 线程; 第一个线程到来,第一个逻辑处理器接受并跟踪执行此 线程; 第二个线程到来,CPU立即组织空闲的处理单元,第二 个逻辑处理器利用这些单元在执行第一个线程的同时接 受第二个线程并执行; 当两个线程同时需要某一个共享资源(如加法器、总线 等)时,通过一定的调度方式让其中一个逻辑处理器先 使用此资源,而另一个逻辑处理器等待到资源可用为止。
5
浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
新技术引入-双/多核心处理器
双核心处理器
在一块CPU基板上集成两个处理器核心 通过并行总线将各处理器核心连接起来
是CMP(Chip Multi Processors,单芯片多处理器)中最 基本、最简单、最容易实现的一种类型 RISC处理器领域
双核心甚至多核心都早已经实现 Intel和AMD相继推出自己的双核心处理器
目前多核进入X86领域
6
浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
双核处理器的发展
高端的RISC处理器中 在上个世纪末,HP和IBM已经提出双核处理器的可行性设计,成功推出了拥有双内核的HP PA8800 和IBM Power4处理器。 Sun在2003年10月微处理器论坛中,发表双核心UltraSPARCⅣ处理器 x86平台 AMD和Intel在2004年公布了各自的双核计划,AMD率先在服务器和工作站领域引入双核架构,而 Intel则是率先在台式机领域引入双核技术!
英特尔P4 超线程技术有两个运行模式,Single Task Mode(单任 务模式)及Multi Task Mode(多任务模式) 当程序不支持Multi-Processing(多处理器作业)时,系统会停止其 中一个逻辑CPU的运行 此时资源集中于单个逻辑CPU中,使单线程程序不会因其中一个逻辑 CPU闲臵而减低性能 然而,被停止运行的逻辑CPU还是会等待工作,占用一定的资源
处理器的频率进入了“G”时代
AMD低频产品 Intel迅驰平台低频移动处理器
现有工艺下单核频率难于提升
性能没有质的飞跃 功耗散热、成品率、成本控制困难 Intel
3GHz成为了AMD无法逾越的一道坎
发布3.8GHz的产品 宣布停止4GHz的产品计划
超线程技术并不像两个真正的CPU那样,各CPU都具有独 立的资源 如果两个线程都同时需要某一个资源时就会出现资源冲突 解决冲突时会出现延迟或需要重新开始执行某个程序;尤 其当冲突大量出现时,性能就会降低,甚至会比没有超线 程技术时更差!
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浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
超线程技术的不足
超线程技术主要有以下两个缺点: ※单任务模式下逻辑处理器的闲臵会造成资源浪费 ※解决两个逻辑处理器资源冲突时会产生延迟,冲突 大量出现时会降低系统性能
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浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
频率超过2GHz以后无法大幅度提升
2
AMD
浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
CPU的高功耗和高发热
3
浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
CPU功耗发展图
4
浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
超线程技术与双核心技术的区别
很多普通用户可能分不清楚超线程技术与双核心技术。例 如,开启了超线程技术的Pentium 4 530与Pentium D 530在操作系统中都同样被识别为两颗处理器 它们究竟是不是一样的呢?这个问题确实具有迷惑性
因此具有超线程功能的CPU运行Single Task Mode程序模式时, 有可能达不到不带超线程功能的CPU性能,虽然性能差距不会太大
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浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
超线程技术的不足(续三)
超线程技术还有一个由资源冲突引起的不可避免的缺陷
通过在硬件上的微小改变 ——增加独立的一套指令指针、寄存器别名 返回栈指针、高级编程中断控制器 等一些硬件投入
利用特殊的硬件指令
表、
从软件和操作系统的角度来看,单处理器CPU表现为两个或更多的逻 辑CPU ——逻辑CPU间采用共享的Cache、总线等重要 资源,从而 能保持较低的成本增加
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浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
超线程技术与双核心技术的区别(续一)
从最简单的方面讲:
双核心技术可以理解为两个“物理”处理器,是一种“硬” 的方式
超线程技术只是两个“逻辑”处理器,是一种“软”的方 式
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浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
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浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
超线程技术的优点
由于线程级并行的实现,它能通过两种方式改进系统性 能:
※每个逻辑CPU运行同一应用程序的不同线程,从而
加速原本是多线程的应用程序的速度; ※ 每个逻辑CPU运行不同应用程序的线程,在这种方 式下它能增加包含多个应用的多任务系统的工作量。
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浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
超线程技术和双核心技术的区别(续四)
双核心技术是通过“硬”的物理核心实现多线程工作 每个核心拥有独立的指令集、执行单元,与超线程中所采用的模拟共享机制 完全不一样 在操作系统看来,它是实实在在的双处理器,可以同时执行多项任务,能让 处理器资源真正实现并行处理模式,其效率和性能提升要比超线程技术要高 得多,不可同日而语 因此超线程技术是通过少量的硬件增加,实现大量资源共享,从而得到 系统性能的提高。而双核心技术则是运用资源重复的原理在系统中设臵两个 处理器,来达到对系统性能的大幅度提高。
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浙 江 大 学 嵌 入 式 研 发 中 心
什么是超线程技术?——概念(续)
单处理器能使用线程级并行计算 兼容多线程操作系统和软件 减少了CPU的闲臵时间,提高了CPU的运行效率