包鐵-多核程序設(shè)計(jì)7 復(fù)習(xí)ppt課件

1、456789多核的概念多核的概念: 在一個(gè)單芯片上面集成兩個(gè)甚至更在一個(gè)單芯片上面集成兩個(gè)甚至更多個(gè)處理器內(nèi)核，其中每個(gè)處理器都有多個(gè)處理器內(nèi)核，其中每個(gè)處理器都有自己的邏輯單元、控制單元、中斷控制自己的邏輯單元、控制單元、中斷控制器、運(yùn)算單元、一級(jí)緩存，二級(jí)緩存共器、運(yùn)算單元、一級(jí)緩存，二級(jí)緩存共享或獨(dú)有，其部件的完整性和單核處理享或獨(dú)有，其部件的完整性和單核處理器內(nèi)核完全一致。器內(nèi)核完全一致。多核與多處理器多多核與多處理器多CPU的區(qū)別：的區(qū)別： 多核是指一個(gè)處理器芯片有多個(gè)處理多核是指一個(gè)處理器芯片有多個(gè)處理器核心，他們之間通過(guò)器核心，他們之間通過(guò)CPU內(nèi)部總線進(jìn)內(nèi)部總線進(jìn)行通訊。行通訊

2、。 多處理器是指簡(jiǎn)單的多個(gè)處理器芯片多處理器是指簡(jiǎn)單的多個(gè)處理器芯片工作在同一個(gè)系統(tǒng)上，多個(gè)處理器之間工作在同一個(gè)系統(tǒng)上，多個(gè)處理器之間的通訊是通過(guò)主板上的總線進(jìn)行的。的通訊是通過(guò)主板上的總線進(jìn)行的。 下面我們從以下多個(gè)方面分析多核技下面我們從以下多個(gè)方面分析多核技術(shù)是處理器發(fā)展的必然趨勢(shì)。術(shù)是處理器發(fā)展的必然趨勢(shì)。1 半導(dǎo)體工藝技術(shù)的飛速進(jìn)步半導(dǎo)體工藝技術(shù)的飛速進(jìn)步2 Pollack規(guī)則規(guī)則3 能耗能耗4 設(shè)計(jì)成本設(shè)計(jì)成本1 半導(dǎo)體工藝技術(shù)的飛速進(jìn)步：半導(dǎo)體工藝技術(shù)的飛速進(jìn)步：如何有效地利用數(shù)目眾多的晶體管？如何有效地利用數(shù)目眾多的晶體管？多核技術(shù)多核技術(shù) 通過(guò)在一個(gè)芯片上集成多個(gè)簡(jiǎn)單的處理

3、器核，通過(guò)在一個(gè)芯片上集成多個(gè)簡(jiǎn)單的處理器核，利用這些晶體管資源，發(fā)揮其最大的能效。利用這些晶體管資源，發(fā)揮其最大的能效。1 半導(dǎo)體工藝技術(shù)的飛速進(jìn)步：半導(dǎo)體工藝技術(shù)的飛速進(jìn)步： 早期的微處理器都是使用早期的微處理器都是使用0.5微米工藝制造微米工藝制造出來(lái)的，隨著出來(lái)的，隨著CPU頻率的增加，原有的工藝已頻率的增加，原有的工藝已無(wú)法滿足產(chǎn)品的要求，這樣便出現(xiàn)了無(wú)法滿足產(chǎn)品的要求，這樣便出現(xiàn)了0.35微米微米以及以及0.25微米工藝，不久以后，微米工藝，不久以后，0.18微米、微米、0.13微米、微米、90納米、納米、65納米以及納米以及45納米制造的納米制造的處理器產(chǎn)品也相繼面世。處理器產(chǎn)品

4、也相繼面世。 2 Pollack規(guī)則：規(guī)則： 如一個(gè)處理器的硬件邏輯提高一倍，至多能如一個(gè)處理器的硬件邏輯提高一倍，至多能提高性能提高性能40。采用兩個(gè)簡(jiǎn)單處理器構(gòu)成一個(gè)相同硬件規(guī)模的采用兩個(gè)簡(jiǎn)單處理器構(gòu)成一個(gè)相同硬件規(guī)模的雙核處理器，可獲得雙核處理器，可獲得7080的性能提升。的性能提升。多核技術(shù)符合多核技術(shù)符合Pollack規(guī)則規(guī)則 英特爾微處理器實(shí)驗(yàn)室主任英特爾微處理器實(shí)驗(yàn)室主任Fred Pollack ：從從386起，英特爾每一新架構(gòu)需要兩到三倍的起，英特爾每一新架構(gòu)需要兩到三倍的晶片面積，而性能只提升晶片面積，而性能只提升1.4到到1.7倍。倍。 兩代處理器，性能每提升一倍，復(fù)雜性便

5、增兩代處理器，性能每提升一倍，復(fù)雜性便增加加4倍；速度提升倍；速度提升4倍，電晶體就要多用倍，電晶體就要多用16倍。倍。簡(jiǎn)言之，性能的提升與復(fù)雜性的平方根成比例。簡(jiǎn)言之，性能的提升與復(fù)雜性的平方根成比例。3 能耗：能耗：（1工藝技術(shù)的發(fā)展和芯片復(fù)雜性的增工藝技術(shù)的發(fā)展和芯片復(fù)雜性的增加，芯片的發(fā)熱現(xiàn)象日益突出。加，芯片的發(fā)熱現(xiàn)象日益突出。（2單核高頻率的處理器功耗太大，發(fā)熱單核高頻率的處理器功耗太大，發(fā)熱量太大。量太大。（3多核可以提高性能，且能較好解決功多核可以提高性能，且能較好解決功耗問(wèn)題。耗問(wèn)題。（4多核處理器可以采用降低功耗的技術(shù)：多核處理器可以采用降低功耗的技術(shù)：如可以關(guān)閉一些處理器

6、。如可以關(guān)閉一些處理器。4 設(shè)計(jì)成本：設(shè)計(jì)成本：（1處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的不斷提高，人力成處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的不斷提高，人力成本的不斷攀升，設(shè)計(jì)成本隨時(shí)間呈線性甚至本的不斷攀升，設(shè)計(jì)成本隨時(shí)間呈線性甚至超線性的增長(zhǎng)。超線性的增長(zhǎng)。（2研發(fā)高頻率處理器的成本越來(lái)越高。研發(fā)高頻率處理器的成本越來(lái)越高。多核處理器可有效控制成本：多核處理器可有效控制成本：處理器處理器IP核重用，設(shè)計(jì)成本極大降低；核重用，設(shè)計(jì)成本極大降低；模塊的驗(yàn)證成本也顯著下降。模塊的驗(yàn)證成本也顯著下降。（3Intel發(fā)布發(fā)布3.8GHz的產(chǎn)品，宣布停止的產(chǎn)品，宣布停止4GHz的產(chǎn)品計(jì)劃。的產(chǎn)品計(jì)劃。 AMD頻率超過(guò)頻率超過(guò)2GHz以后以

7、后無(wú)法大幅度提升。無(wú)法大幅度提升。內(nèi)存模塊與節(jié)點(diǎn)分離內(nèi)存模塊與節(jié)點(diǎn)分離內(nèi)存模塊位于節(jié)點(diǎn)內(nèi)部?jī)?nèi)存模塊位于節(jié)點(diǎn)內(nèi)部P1P2PnI/OSM1SMm共享存儲(chǔ)器處理器（）系統(tǒng)互連總線 交叉開(kāi)關(guān)多級(jí),網(wǎng)絡(luò)等價(jià)的。等價(jià)的。LM1P1LM2P2LMnPn互連網(wǎng)絡(luò)(a)共享本地存儲(chǔ)模型全局互連網(wǎng)絡(luò)(b)層次式機(jī)群模型GSMGSMGSMPCINCSMPPCSMCSM群1PCINCSM群NPPCSMCSM互連網(wǎng)絡(luò)DCPDCPDCP消 息 傳 遞 互 連 網(wǎng) 絡(luò)(網(wǎng) 絡(luò) ， 環(huán) 網(wǎng) ， 超 立 方 ，立 方 環(huán) 等 )PMPMMPMPMPMPMPPMPMPM.I/ONIC,DIR,RC系統(tǒng)互連網(wǎng)路MemP/CP/CI

8、/ONIC,DIR,RCMemP/CP/C節(jié)點(diǎn)N節(jié)點(diǎn) 1總線或 交叉 開(kāi)關(guān)總線或 交叉 開(kāi)關(guān)M MI IM MD D多 計(jì) 算 機(jī)(多 地 址 空 間 非 共 享 存 儲(chǔ) 器 )(IBM SP2,DEC TruClusterTandem Hymalaya,HP,Microsoft Wolfpack,etc)N NO OR RM MA AU UM MA AN NU UM MA AC Cl lu us st te er rM MP PP P(Intel TFLOPS)緊 耦 合P PV VP P(Cray T90)S SM MP P(Intel SHV,SunFire,DEC 8400,SGI P

9、owerChallenge,IBMR60,etc.)C CO OM MA A(KSR-1,DDM)C CC C- -N NU UM MA A(Stanford Dash,SGI Origin 2000,Sequent NUMA-Q,HP/Convex Exemplar)N NC CC C- -N NU UM MA A(Cray T3E)D DS SM M(TreadMarks,Wind Tunnel,IVY,Shrimp,etc.)（）松 散 耦 合（）中 央 存 儲(chǔ) 器分 布 存 儲(chǔ) 器多 處 理 機(jī)單 地 址共 享（）空 間存 儲(chǔ) 器pWWsWpWsSP/)1(11)1(pfppffffS

10、WpWpfpWpfWfWWWpWWWWSOOOPSPS/) 1(1)1 (程 序 中 順 序 部 分 的 百 分 比f(wàn)(c)0% 1% 2% 3% 4% 100%加速比SS1024=1024/(1+1023f)1024x91x48x31x24x1x WpWp Wp WpWp WpW1W1W1W1W1W1工作負(fù)載W處 理 器 數(shù)P (a)123456T1 T1 Tp Tp Tp Tp Tp Tp T1 T1 T1執(zhí)行時(shí)間T處 理 器 數(shù)P (b)T1123456PSSSSWWpWpWpWppWpWpWS/) p-f (p-p) f ( p -f) p ( f S 111WWfpfWWWpWWSO

11、OPSPS/11程序中順序部分的百分比f(wàn)(c)S1024=1024-1023f0%1%2%3%4%1024x1014x 1004x993x983x加速比S 處理器數(shù)P工作負(fù)載W (a)W1W1W1W1W1W1WpWpWpWpWpWp123456 TpT1T1T1T1T1T1執(zhí)行時(shí)間T處理器數(shù)P (b)123456 Tp Tp Tp Tp Tp ppGffpGff/11 pWpGffWWpGffWS/11 T1Tp執(zhí)行時(shí)間T處理器數(shù)P (b)T1T1T1T1T1TpTpTpTpTp處理器數(shù)P工作負(fù)載W (a)W1WpWpWpWpWpWpW1W1W1W1W1123456123456CPU寄存器狀態(tài)和棧寄存器狀態(tài)和棧代碼數(shù)據(jù)文件寄存器棧線程代碼數(shù)據(jù)文件寄存器棧寄存器棧寄存器棧線程改善了系統(tǒng)資源的利用率。線程是改善了系統(tǒng)資源的利用率。線程是CPU的調(diào)度單位的調(diào)度單位 。nn在系統(tǒng)繁忙的情況下，進(jìn)程通過(guò)獨(dú)立的線程及時(shí)響在系統(tǒng)繁忙的情況下，進(jìn)程通過(guò)獨(dú)立的線程及時(shí)響應(yīng)用戶輸入應(yīng)用戶輸入n所有與多線程機(jī)制相關(guān)的類都存放在所有與多線程機(jī)制相關(guān)的類都存放在System.Thre