多處置器技術(shù)綜述

1、多處置器技術(shù)綜述盡管CPU勺性能在不斷的提升，使一臺(tái)電腦擁有多個(gè)處置器，是以后的進(jìn)展趨勢(shì)，因?yàn)樗軌蚪o應(yīng)用程序和系統(tǒng)提供加倍靠得住的性能。過(guò)量的l/O讀寫操作，和內(nèi)存數(shù)據(jù)的互換都會(huì)降低系統(tǒng)的性能。把系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率加倍的話，單CPU的系統(tǒng)會(huì)提升很多性能，可是提高時(shí)鐘頻率是相當(dāng)困難的。由此引出了多處置器系統(tǒng)，即在一塊主板上利用多個(gè)處置器的系統(tǒng)。多處置器分類Flynn1966依照多處置器中最受限制部件中的指令所挪用的數(shù)據(jù)流和指令流的并行度，把所有的運(yùn)算機(jī)歸為4類：SISD（單指令流單數(shù)據(jù)流）、SIMDM指令流多數(shù)據(jù)流）、MISD侈指令流單數(shù)據(jù)流）、MIMD侈指令流多數(shù)據(jù)流）。很多初期的多處置器系統(tǒng)是

2、SIMD型的，但是在最近幾年，MIMDt了通用多處置器結(jié)構(gòu)的一種選擇?，F(xiàn)有的MIMDW械依照其處置器數(shù)量可分為以下兩類，這兩類機(jī)械的存儲(chǔ)組織方式和互連策略不同。a）集中式共享存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，多個(gè)處置器高速緩存子系總共享同一個(gè)物理存儲(chǔ)器，典型方式是通過(guò)總線連接。由于單個(gè)主存儲(chǔ)器對(duì)每一個(gè)處置器都是對(duì)稱關(guān)系，而且每一個(gè)處置器訪問(wèn)主存儲(chǔ)器的時(shí)刻相同，這種多處置器也稱為SMP對(duì)稱多處置器）這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也稱為UMA（勻勻存儲(chǔ)器訪問(wèn)）。b）散布式存儲(chǔ)2構(gòu)，如圖2所示。散布式多處置器在物理上是散布的。它的大體結(jié)構(gòu)由多個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)組成，其中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)包括處置器、存儲(chǔ)器、輸入輸出系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的接口，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

3、連接在一路。依照處置器間傳遞數(shù)據(jù)所利用方式的不同，有兩種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。一種是DSM散布式共享存儲(chǔ)器）系統(tǒng)，也稱為NUMA（上均勻存儲(chǔ)器訪問(wèn)），物理上分開(kāi)的存儲(chǔ)器能夠作為邏輯上共享的地址空間進(jìn)行尋址，任何一個(gè)處置器都能夠通過(guò)引用地址的方式訪問(wèn)任意節(jié)點(diǎn)上的存儲(chǔ)器；另一種是多機(jī)系統(tǒng)，它的地址空間由多個(gè)私有的地址空間組成，這些私有地址空間在邏輯上是分散的，而且不能被遠(yuǎn)程處置器尋址。每一個(gè)處置器存儲(chǔ)器模塊本質(zhì)上是一臺(tái)獨(dú)立的運(yùn)算機(jī)。多處置器的高速緩存一致性及一致性協(xié)議1多處置器的高速緩存一致性多處置器中存在共享和私有數(shù)據(jù)的高速緩存。私有數(shù)據(jù)是被單個(gè)處置器利用的，而共享數(shù)據(jù)那么是被多個(gè)處置器利用的，本質(zhì)上

4、是通過(guò)讀寫共享數(shù)據(jù)完成處置器之間的通信。把一個(gè)私有數(shù)據(jù)緩存以后，對(duì)該數(shù)據(jù)的訪問(wèn)就能夠夠在高速緩存中進(jìn)行。把共享數(shù)據(jù)裝載到高速緩存中時(shí)，會(huì)在多個(gè)高速緩存中形成副本，這就引入了一個(gè)問(wèn)題：多處置器的高速緩存一致性。若是一個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)知足如下條件，那么以為該存儲(chǔ)器系統(tǒng)是一致的：a）處置器P對(duì)地址x的寫操作后面緊隨著處置器P對(duì)x的讀操作，而且在這次讀操作和寫操作之間沒(méi)有其他處置器對(duì)x進(jìn)行寫操作，這時(shí)讀操作老是返回P寫入的數(shù)值。b)在其他處置器對(duì)x寫操作后處置器P對(duì)x執(zhí)行讀操作，這兩個(gè)操作之間有足夠的距離而且沒(méi)有其他對(duì)x的寫操作，這時(shí)讀操作返回的是寫入的數(shù)值。C)寫操作串行化，即任何兩個(gè)處置器對(duì)同一個(gè)地址

5、的兩個(gè)寫操作在所有處置器看來(lái)都有相同的順序。22多處置器的高速緩存一致性協(xié)議分類支持高速緩存一致性的多處置器系統(tǒng)中，高速緩存提供共享數(shù)據(jù)的遷移和復(fù)制。小規(guī)模多處機(jī)系統(tǒng)通過(guò)在硬件上引入一個(gè)協(xié)議保護(hù)高速緩存一致性來(lái)解決問(wèn)題。那個(gè)用于保護(hù)多個(gè)處置器一致性的協(xié)議稱為高速緩存一致性協(xié)議(cachecoherenceprotocols)。實(shí)現(xiàn)高速緩存一致性的關(guān)鍵在于跟蹤所有共享數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)。普遍采納的有以下兩類協(xié)議，它們采納不同的技術(shù)跟蹤共享數(shù)據(jù)：a)監(jiān)聽(tīng)式(Snooping)。每一個(gè)含有物理存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)塊副本的高速緩存保留該數(shù)據(jù)塊共享狀態(tài)的副本。高速緩存通常放在共享存儲(chǔ)總線上，所有的高速緩存操縱器對(duì)總線

6、進(jìn)行監(jiān)視或監(jiān)聽(tīng)，來(lái)確信它們是不是含有總線上請(qǐng)求的數(shù)據(jù)塊的副本。rb)目錄式(Directorybased)。把物理存儲(chǔ)塊的共享狀態(tài)寄存在一個(gè)地址，稱為目錄。221監(jiān)聽(tīng)協(xié)議監(jiān)聽(tīng)協(xié)議隨著多處置器系統(tǒng)中普遍利用微處置器和連接到單一共享存儲(chǔ)器的高速緩存而變得愈來(lái)愈流行，因?yàn)檫@種協(xié)議能利用已經(jīng)存在的物理連接通往存儲(chǔ)器的總線來(lái)查詢高速緩存的狀態(tài)。監(jiān)聽(tīng)協(xié)議有兩種。一種稱為寫無(wú)效協(xié)議(writeinvalidateprotoco1)，它在處置器寫數(shù)據(jù)項(xiàng)之前保證該處置器能獨(dú)獨(dú)占訪問(wèn)確保寫操作執(zhí)行后不存在其他可讀或可寫的數(shù)據(jù)項(xiàng)副本，高速緩存中該數(shù)據(jù)項(xiàng)的所有其他副本都是無(wú)效的。另一種稱為寫更新(writeupdat

7、e)或?qū)憦V播(writebroadcast)，它在處置器寫入數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)更新該數(shù)據(jù)項(xiàng)所有的副本。因?yàn)樵诨诳偩€的多處置器系統(tǒng)中總線和存儲(chǔ)器帶寬是最緊張的資源，而寫無(wú)效協(xié)議可不能給總線和存儲(chǔ)器帶來(lái)太大的壓力，因此咱們要緊討論寫無(wú)效協(xié)議。在小規(guī)模多處置器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)寫無(wú)效協(xié)議的關(guān)鍵是利用總線來(lái)完成無(wú)效操作。要實(shí)現(xiàn)無(wú)效操作，處置器只要取得總線操縱權(quán)后在總線上廣播無(wú)效數(shù)據(jù)的地址即可。所有處置器都要不斷地監(jiān)聽(tīng)總線來(lái)監(jiān)測(cè)地址。處置器要檢查各自的高速緩存中是不是有總線上廣播的地址。若是有，那么高速緩存中相應(yīng)的數(shù)據(jù)要置為無(wú)效?？偩€所保證的串行訪問(wèn)也保證了寫操作的串行化。能夠利用高速緩存中已有的標(biāo)識(shí)位來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)聽(tīng)進(jìn)程。

8、每一個(gè)塊的有效位(valid)使作廢機(jī)制的實(shí)現(xiàn)較為容易。關(guān)于由無(wú)效操作仍是由其他事件致使的讀操作缺失，只需將該位設(shè)置為無(wú)效；關(guān)于寫操作，需明白其他高速緩存中是不是存有該數(shù)據(jù)塊的副本。若是沒(méi)有其他副本，那么在寫回式高速緩存中不用將寫操作放到總線上，如此可減少所用的時(shí)刻并降低所需的帶寬。為了分辨一個(gè)數(shù)據(jù)塊是不是共享，需要給每一個(gè)數(shù)據(jù)塊增加一個(gè)特殊的狀態(tài)位。高速緩存塊狀態(tài)分為共享(shared)和獨(dú)占(exclusive)。擁有緩存塊唯一副本的處置器通常稱為該緩存塊的所有者(owner)，處置器的寫操作使自己成為對(duì)應(yīng)緩存塊的所有者。當(dāng)對(duì)共享的數(shù)據(jù)塊執(zhí)行寫操作時(shí)，高速緩存會(huì)在總線上發(fā)送一個(gè)無(wú)效操作，并

9、把該塊標(biāo)記為私有。當(dāng)發(fā)送無(wú)效操作時(shí)，所有者的高速緩存塊從共享狀態(tài)變成獨(dú)占狀態(tài)，若是稍后其他處置器請(qǐng)求那個(gè)高速緩存塊時(shí)，它會(huì)再次變成共享狀態(tài)。那個(gè)協(xié)議工作機(jī)理的關(guān)鍵在于任何一個(gè)高速緩存塊要么在多個(gè)緩存中處于共享狀態(tài)，要么在唯一一個(gè)高速緩存中處于獨(dú)占狀態(tài)。任何狀態(tài)要轉(zhuǎn)換到獨(dú)占狀態(tài)(處置器要對(duì)某個(gè)數(shù)據(jù)塊執(zhí)行寫操作時(shí)必然會(huì)轉(zhuǎn)到那個(gè)狀態(tài)上)必需要在總線上放置一個(gè)寫缺失信號(hào)，使所有的高速緩存把數(shù)據(jù)塊置為無(wú)效。而且，若是其他高速緩存中含有處于獨(dú)占狀態(tài)的數(shù)據(jù)塊，該高速緩存要執(zhí)行寫回操作，通過(guò)寫回操作提供目標(biāo)數(shù)據(jù)塊。若是發(fā)生獨(dú)占狀態(tài)數(shù)據(jù)塊的讀缺失時(shí)，擁有該數(shù)據(jù)塊的高速緩存也會(huì)使其狀態(tài)變成共享，如爾后續(xù)的寫操作就

10、能夠夠取得獨(dú)占權(quán)限。22目錄協(xié)議在散布式存儲(chǔ)器多處置器系統(tǒng)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上用目錄來(lái)實(shí)現(xiàn)高速緩存的一致性。每一個(gè)目錄負(fù)責(zé)跟蹤共享本地存儲(chǔ)器的高速緩存。目錄可通過(guò)功用總線與處置器和存儲(chǔ)器通信，也可通過(guò)專用端口連接到存儲(chǔ)器，或能夠作為中央節(jié)點(diǎn)操縱器的一部份來(lái)實(shí)現(xiàn)。目錄必需跟蹤每一個(gè)高速緩存塊的狀態(tài)。高速緩存塊有3種狀態(tài)：共享(shared)、未緩沖(uncached)和獨(dú)占(exclusive)。目錄還要跟蹤擁有共享數(shù)據(jù)塊副本的處置器，這就要給每一個(gè)存儲(chǔ)器塊保留一個(gè)位向量。當(dāng)塊處于共享狀態(tài)時(shí)，向量的每一名表示所對(duì)應(yīng)的處置器是不是擁有該塊的副本。當(dāng)塊處于獨(dú)占狀態(tài)時(shí)，能夠利用位向量來(lái)跟蹤塊的所有者。咱們

11、利用共享者(Sharer)的集合跟蹤擁有數(shù)據(jù)塊副本的處置器集合。發(fā)送到目錄的消息引發(fā)兩種不同類型的動(dòng)作：更新目錄狀態(tài)，發(fā)送請(qǐng)求的消息數(shù)據(jù)。圖4列出了基于目錄的系統(tǒng)中單個(gè)高速緩存塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。能夠看出，目錄協(xié)議的操作大體上和監(jiān)聽(tīng)協(xié)議的相同；不同的是，在監(jiān)聽(tīng)協(xié)議中，寫缺失操作是通過(guò)在總線上廣播實(shí)現(xiàn)的，而目錄協(xié)議中通過(guò)目錄操縱器發(fā)送取數(shù)據(jù)和無(wú)效消息實(shí)現(xiàn)。下面具體看一下每一個(gè)狀態(tài)能夠收到的請(qǐng)求和采取的動(dòng)作。當(dāng)數(shù)據(jù)塊處于未緩存狀態(tài)時(shí)，那么存儲(chǔ)器中的副本確實(shí)是當(dāng)前值，有2種可能的目錄請(qǐng)求：讀缺失：存儲(chǔ)器向發(fā)出請(qǐng)求的處置器送回所要求的數(shù)據(jù)，而發(fā)送請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)成為唯一的共享節(jié)點(diǎn)。塊的狀態(tài)設(shè)為共享。寫缺失：向發(fā)

12、出請(qǐng)求的處置器送回?cái)?shù)據(jù)值并使它成為共享節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)塊設(shè)為獨(dú)占狀態(tài)，指明這是唯一有效的緩存副本。共享集合中會(huì)指明所有者。當(dāng)數(shù)據(jù)塊處于共享狀態(tài)時(shí)，存儲(chǔ)器中的數(shù)值也是最新的，有2種可能的目錄請(qǐng)求：讀缺失：存儲(chǔ)器向發(fā)出請(qǐng)求的處置器送回所要求的數(shù)據(jù)，然后將發(fā)送請(qǐng)求的處置器放到共享集合。寫缺失：向發(fā)送請(qǐng)求的處置器送回?cái)?shù)值。向共享者集合中的所有處置器發(fā)送無(wú)效消息，而且共享者集合中要保留發(fā)送請(qǐng)求的處置器標(biāo)識(shí)。數(shù)據(jù)塊設(shè)置成獨(dú)占狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)塊處于獨(dú)占狀態(tài)時(shí)，塊的當(dāng)前值保留在共享者集合中指明的所有者處置器的高速緩存中，有3種可能的目錄請(qǐng)求：讀缺失：向所有者處置器發(fā)送取數(shù)據(jù)消息，然后將該塊的所有者中的副本轉(zhuǎn)換為共享狀態(tài)

13、而且由所有者向目錄發(fā)送數(shù)據(jù)，在目錄中將數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器中并將數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)出請(qǐng)求的處置器上。將發(fā)出請(qǐng)求的處置器添加到共享者集合中，這時(shí)集合中仍然會(huì)有其他所有者處置器。寫缺失：數(shù)據(jù)塊有了新的所有者。向舊所有者發(fā)送消息，使緩存將該數(shù)據(jù)塊置為無(wú)效，并把值發(fā)送到目錄中，再通過(guò)目錄把數(shù)值發(fā)送到發(fā)出請(qǐng)求的處置器上。發(fā)出請(qǐng)求的處置器成為新所有者。共享者集合只保留新所有者的標(biāo)識(shí)，而塊仍然處于獨(dú)占狀態(tài)。C）數(shù)據(jù)寫回：所有者處置器將數(shù)據(jù)塊改寫了，因此必需要執(zhí)行寫回操作。這使得存儲(chǔ)器副本取得更新（實(shí)質(zhì)上主目錄成了所有者），而且再也不緩存數(shù)據(jù)塊。將共享者集合設(shè)置為空。雙內(nèi)核處置器的應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)師此刻采納新的方式來(lái)處置嵌入

14、式應(yīng)用中的發(fā)燒和功率問(wèn)題。一種方式是構(gòu)建能經(jīng)受和發(fā)散更多熱量的物理尺寸更大的系統(tǒng)，用于電信基礎(chǔ)設(shè)施的AdvancedTCAfe準(zhǔn)確實(shí)是如此的例子。作為一個(gè)概念驗(yàn)證平臺(tái)，AdvancedTCAB準(zhǔn)受到運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備制造商和器件供給商的歡迎。多個(gè)供給商和產(chǎn)品都可利用的通用外形尺寸的問(wèn)世，顯著減少了原型開(kāi)發(fā)時(shí)刻和本錢。但是，AdvancedTCAt制造基礎(chǔ)設(shè)施上應(yīng)用的普遍程度仍然是個(gè)未知數(shù)，功率、體積和本錢是要緊考慮因素。設(shè)計(jì)工程師采納的替代方式利用了集成的雙內(nèi)核微處置器中的最新技術(shù)，使它們每毫瓦的處置能力最大。與其被迫采納一種基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)來(lái)處置產(chǎn)生的熱量，設(shè)計(jì)工程師更情愿在第一時(shí)期中幸免產(chǎn)生熱量。對(duì)

15、稱多處置器（SMP雙處置器應(yīng)用是雙內(nèi)核器件明顯的應(yīng)用目標(biāo)。在這些應(yīng)用中，處置器共享相同的操作系統(tǒng)（OS）和存儲(chǔ)器。兩個(gè)分離的處置器和它們的系統(tǒng)邏輯能夠全數(shù)集成在一個(gè)器件里。一個(gè)常見(jiàn)的誤解是以為雙內(nèi)核器件僅限于SM而用。采納智能設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工程師可增加必要的hook函數(shù)和功能性，以許諾不僅支持在每一個(gè)內(nèi)核上具有相同操作系統(tǒng)的非SMPt置器，還支持每一個(gè)內(nèi)核不同的操作系統(tǒng)。設(shè)計(jì)工程師利用這種靈活性銜接現(xiàn)有操作系統(tǒng)（一般是專用的）與新興操作系統(tǒng)，如Linux。操作系統(tǒng)供給商通過(guò)概念標(biāo)準(zhǔn)化的通信方式進(jìn)行合作，以實(shí)現(xiàn)雙內(nèi)核器件中操作系統(tǒng)之間的這種“協(xié)同不對(duì)稱多處置”功能。靈活利用集成的多內(nèi)核處置器特性和技

16、術(shù)，可為許多嵌入式應(yīng)用實(shí)現(xiàn)外形尺寸小、本錢低、性能靠得住的系統(tǒng)。很明顯，集成的雙內(nèi)核微處置器正在改變架構(gòu)現(xiàn)狀。專門為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的新型處置器，可實(shí)此刻特定功率預(yù)算內(nèi)大大提高計(jì)算密度的高性能系統(tǒng)設(shè)可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)和性能MP本質(zhì)上采納的是分而治之的方式，通過(guò)把多個(gè)處置單元集成在一路，讓每一個(gè)處置單元能運(yùn)行一個(gè)獨(dú)立的并發(fā)線程，利用模塊化設(shè)計(jì)原理就創(chuàng)建了一個(gè)多處置器。這使得整個(gè)設(shè)計(jì)沒(méi)有MT這么復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)更低，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能在需要的時(shí)候簡(jiǎn)單地插入另外的處置器。這種設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性使MP比MT的可擴(kuò)展能力要強(qiáng)得多，因?yàn)樵贛T處置器中與慢慢升高的時(shí)鐘速度相關(guān)的設(shè)計(jì)本錢常常會(huì)限制其可擴(kuò)展能力，專門是當(dāng)考慮

17、到，因?yàn)槲疵腥我饧?jí)別的高速緩存而致使重要代價(jià)的時(shí)候。圖2以L2緩存訪問(wèn)為例說(shuō)明了這種代價(jià)。另一個(gè)選擇是在單個(gè)設(shè)計(jì)中同時(shí)部署MP?口MT但是，已經(jīng)證明其相關(guān)的軟件復(fù)雜度被現(xiàn)有的多處置器操作系統(tǒng)和軟件編寫社群嚴(yán)峻低估。在如此的設(shè)計(jì)中，存在一對(duì)大體矛盾，MT需要認(rèn)真治理處置器資源的訪問(wèn)和共享，而MP在運(yùn)行獨(dú)立應(yīng)歷時(shí)具有高效率。許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師發(fā)覺(jué)，事實(shí)上在禁用系統(tǒng)的MTB,他們實(shí)現(xiàn)了更高的性能。考慮到許多軟件應(yīng)用可能已經(jīng)考慮到每種解決方案的特點(diǎn)而為其專門設(shè)計(jì)，因此籠統(tǒng)地宣稱一種方案比另一種更好是不明智的。但是，基于傳統(tǒng)的單處置器的MP具有更大的可擴(kuò)展性，因此在選擇開(kāi)發(fā)策略的時(shí)候，軟件設(shè)計(jì)工程師此刻就能夠夠從必然程度的靈活性中獲益，他們感到能夠?yàn)橐院笠欢螘r(shí)刻內(nèi)軟件架構(gòu)不需要轉(zhuǎn)變而安心。處置器的設(shè)計(jì)正在從提高頻率向降低功耗的方向轉(zhuǎn)變，為知足更高性能的要求并使功耗不超過(guò)許多應(yīng)用所能經(jīng)受的范圍，微處置器的一個(gè)明顯轉(zhuǎn)變是從頻率愈來(lái)愈高向多內(nèi)核架構(gòu)轉(zhuǎn)變。本文分析這種轉(zhuǎn)變對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能帶來(lái)哪些改善。雙內(nèi)核微處置器是當(dāng)前計(jì)算設(shè)計(jì)關(guān)注的核心，為知足更高性能要求并使功耗不超過(guò)許多應(yīng)用所能經(jīng)受的范圍，微處置器正在從頻率愈來(lái)愈高的進(jìn)展趨