多核架構及編程技術

多核架構及編程技術魏博文數(shù)計學院學號：1315063011多核所屬體系---并行計算體系并行計算機是由一組處理單元組成的，通過相互之間的通信與協(xié)作，以更快的速度共同完成一項大規(guī)模的計算任務。20世紀60年代初，晶體管以及磁芯存儲器的出現(xiàn)，處理單元變得越來越小，存儲器也更加小巧和廉價。這些技術導致了并行計算機的出現(xiàn)。這一時期的并行計算機多是規(guī)模不大的共享存儲器系統(tǒng)，例如IBM360。二十世紀70年代末期，同一個處理器開始設置多個功能相同的功能單元，流水線技術也出現(xiàn)了。這些并行特性的應用大大提高了并行計算機系統(tǒng)的性能。并行計算機的分類Flyrm根據(jù)指令流和數(shù)據(jù)流的不同組織方式，把計算機系統(tǒng)的結構分為以下4類：單指令流單數(shù)據(jù)流(SingleInstructionstreamSingleDatastream，SISD)單指令流多數(shù)據(jù)流(SingleInstructionstreamMultipleDatastream，SIMD)多指令流單數(shù)據(jù)流(MultipleInstructionstreamSingleDatastream，MISD)多指令流多數(shù)據(jù)流(MultipleInstructionstreamMultipleDatastream，MIMD)指令流是指機器執(zhí)行的指令序列，數(shù)據(jù)流是指指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結果。并行是個廣義的概念，并行是一個廣義的概念，根據(jù)實現(xiàn)層次的不同，可以分為幾種方式。從系統(tǒng)結構的角度，并行計算機目前有以下幾種：1)分布式存儲器的SIMD處理機。含有多個同樣結構的處理單元(PE)，通過尋徑網(wǎng)絡以一定方式互相連接。2)向量超級計算機(共享式存儲器SIMD)。集中設置存儲器，共享的多個并行存儲器通過對準網(wǎng)絡與各PE相連。3)對稱多處理器(SMP)。一個計算機上匯集了一組處理器，各處理器之間共享內(nèi)存子系統(tǒng)以及總線結構。4)并行向量處理機(PVP)。有專門定制的向量處理器，通過向量處理和多個向量處理器并行處理兩條途徑來提高處理能力。5)集群計算機。隨著微處理器和網(wǎng)絡技術的進步而逐漸發(fā)展起來的，它主要用來解決大型計算問題。是一種并行或分布式處理系統(tǒng)，由很多連接在一起的獨立計算機組成，像一個單集成的計算機資源一樣協(xié)同工作。6)網(wǎng)格計算是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術而迅速發(fā)展起來的，專門復雜科學計算的新型計算模式。多核處理器

并行計算機與超級計算機技術，為多核計算機的出現(xiàn)奠定了基礎。集成電路的進步也為多核芯片提供了物理條件。

多內(nèi)核是指在一枚處理器中集成兩個或多個完整的計算引擎(內(nèi)核)。多核技術的開發(fā)源于工程師們認識到，僅僅提高單核芯片的速度會產(chǎn)生過多熱量且無法帶來相應的性能改善，先前的處理器產(chǎn)品就是如此。他們認識到，在先前產(chǎn)品中以那種速率，處理器產(chǎn)生的熱量很快會超過太陽表面。即便是沒有熱量問題，其性價比也令人難以接受，速度稍快的處理器價格要高很多?，F(xiàn)代計算機------轉向多內(nèi)核方向發(fā)展的原因從功耗角度看多核美國IT公司多核處理器的發(fā)展多核流處理屠器架負構下幾個醬顯著焦的優(yōu)劉點*控語制邏州輯簡安單：愁相對脊超標鳳量微爭處理盒器結維構和召超長懷指令精字結探構而滲言，劑單芯糧片多幣處理器刻結構偶的控用制邏學輯復鞏雜性衰要明手顯低翼很多墓。*高輕主頻意：由屠于單第芯片谷多處帶理器縣結構誕的控膠制邏跑輯相省對簡貪單，忍包含尋極少藏的全懷局信載號，因此隙線延史遲對航其影艇響比炒較小安，因識此，賽在同研等工娛藝條秩件下饅，單狗芯片唱多處尿理器遭的硬甚件實忍現(xiàn)要降獲得第比超籌標量急微處夸理器裳和超怖長指忽令字早微處黑理器針更高臭的工愈作頻湯率。*低判通信門延遲挖：由牛于多輔個處長理器亞集成侄在一前塊芯類片上刑，且俗采用蘭共享狹Ca餃ch護e或那者內(nèi)址存的方疾式，疤多線艘程的鹽通信臥延遲排會明榴顯降豆低，國這樣螺也對蜘存儲屋系統(tǒng)背提出翠了更興高的蛙要求梅。*低某功耗抓：通虛過動炒態(tài)調(diào)悉節(jié)電巡壽壓／鼓頻率茶、負塑載優(yōu)迅化分田布等械，可晚有效參降低荷CM晨P功唱耗。*設搜計和核驗證鋤周期善短：因微處祥理器畏廠商樣一般籠采用族現(xiàn)有鍛的成賠熟單國核處何理器懲作為型處理坦器核顧心，際從而瘦可縮輝短設議計和氣驗證泊周期蓬，節(jié)棚省研治發(fā)成宣本。多核娃架構因下的伯編程右技術多核階架構蘿下的舌多線捐程程展序設潮計與腥傳統(tǒng)施的單淡核下彈的多鈴線程漢程序胸設計討有著憐一定收的差柱別，鋤在單痰CP區(qū)U下憤，是傅多個貿(mào)線程烘在同興一個灶CP賞U上僚并發(fā)舞地執(zhí)筋行，旺而在豈多核禁下，窯則是竟由多怕個線鄉(xiāng)豐程在飯多個錫核上齊并行刮地執(zhí)費行。葛目前帝的程百序設支計中逼對于硬多核蒸的利室用并島沒有步達到蜘預期是的效案果。要創(chuàng)做到糧這一撫點，昏就必宋須將李應用緞程序棉看作及是眾堪多相宰互依社賴的織任務鏟的集告合，直將應農(nóng)用程序赴劃分腐成多亞個獨沸立的印任務盛，并晴確定錫這些竿任務壘之間介的相回互依表賴關嗎系，謙這就忍稱為核分解蘿(d興ec歉om矩po赤si免ti厲on蹲)。分解側的類絕別*任務嗚分解單：對機應用鞭程序續(xù)根據(jù)鵝其執(zhí)濁行的餓功能算進行歷分解址的過患程稱壯為任敬務分炎解陽（t浩askd簡ec練om歡po怠si捉ti臭on指)。涂根據(jù)裙這種議方法逼，就瞇能夠棉對眾僅多的講獨立預的任爛務進存行分變類。央如果踐其中勒兩個槍任務融能夠凳同時旁運行制，那悼么開削發(fā)人昆員就蹤蝶應該劃對其態(tài)進行算調(diào)度者，形辜成二聽者之慎間的心并行暑執(zhí)行丈。*數(shù)鄉(xiāng)豐據(jù)分究解：樸數(shù)據(jù)惱分解紛也稱躁為數(shù)濱據(jù)級貫并行賭(d襲at鼠a-燭le憶ve闖l芬pa礎ra羅ll固el統(tǒng)is煤m)棗。是累將應脫用程切序根據(jù)各芽個任轉務所紛處理耕的數(shù)句據(jù)而床非按灘任務陵來進暮行分逝解的茅方法吵，即揉以數(shù)文據(jù)為林中心擱。一觸般而競言，阿能夠配按照寨數(shù)據(jù)很分解天方式攀進行扁分解元的應暮用程各序都拳包含崖多個傷線程浮，這粱些線膜程分例別對側不同冬的數(shù)揭據(jù)對摸象執(zhí)辜行相概同的撞操作蟻。*數(shù)奪據(jù)流磁分解卵：在若很多常情況原下，脅當對秧一個漂問題蘆進行作分解谷時，翼關鍵辰問題員不在梢于采倉用一些衛(wèi)什么鄭任務勺來完柜成這蝕個工本作，渡而在則于數(shù)啦據(jù)在撓這些暴任務虧之間帥是如雨何流貸動的描。這驗個時漿候就凈要采刃用數(shù)殺據(jù)流許分解材方式橋，如區(qū)典型杯的生鼠產(chǎn)者何／消像費者兼問題冰。多核勇下的禁編程破模型冠--葵-O貸pe餅nM狡P和幼PF跡XOp億en洲MP(O囑pe苦nMu劫lt彼i--Pr斯oc屬es霸si貪ng向)是釋用于森共享冊內(nèi)存步并行隊系統(tǒng)昏的多徒線程鮮程序局設計末的一蘋套指環(huán)導性算注釋戀(C畝om紙pi常le于r御Di犧r(nóng)e附ct噴iv旋e)改，支戰(zhàn)持的烈編程耐語言田包括理C語誦言、瞧C+賞+和漆Fo岸rt哭r(nóng)a撞n。權Op畢en慨MP但提供扛了對喪并行袖算法株的高抬層的說抽象夸描述筋，程糞序員剝通過右在源屬代碼劉中加裁入專墓用的犬pr從ag最ma插來指殃明自蜘己的突意圖別，由寇此編業(yè)譯器洲可以佩自動蠶將程互序進取行并闖行化耗，并任在必統(tǒng)要之選處加膛入同協(xié)步互喬斥以融及通磁信。柿當選烤擇忽吧略這個些p趴ra貞gm債a，后或者泉編譯撿器不濱支持莖Op刮en僑MP林時，恐程序禾又可境退化膽為通輩常的旨程序栽(一棵般為俊串行卸)，胖代碼培仍然透可以忘正常醬運作煎，只愈是不番能利編用多山線程畝來加窮速程助序執(zhí)況行。竭Op釀en壇MP巧的第相一個降標準登于1孫99棉7正克式發(fā)摔表，遣目前折已經(jīng)兼有面妄向F婆or愈tr想an深、C音／C顏++藥的編士程接錦口規(guī)鉗范O絹pe亡nM獅P基度于F牧or尺k--Jo籍in友模型牛，將妨程序寄劃分雄為并酷行區(qū)鑼和串懶行區(qū),不同憤處理值器間爸通過還共享急變量像完成木數(shù)據(jù)頓交換襖。在庭最新撞3.0版掏本之陽前一反般面釣向循脈環(huán)結膝構的偉并行切化，蜓在3.0版黃本之靜后加功入了秒一個環(huán)稱為依任務隙處理風的新究功能高，大易大擴響展了豪Op琴en改MP楊的使允用范劫圍。微軟.NE普T4驗的PF番X面對歪程序召設計鹽中的糕并行優(yōu)趨勢臂，為貼了降吼低開持發(fā)者廉進行狡并行扯程序秘設計釘?shù)碾y法度，搭提高識開發(fā)玻者的清生產(chǎn)承率，招微軟朋在．輛NE異T究4中瞎加入后了“翁并行優(yōu)擴展以”(兼PF叉X，菠Pa賀ra彎ll川el笑E燈xt苗en青si杰on輔sfo臣r卸th品e．鉛NE緣瑞T豆Fr肅am繡ew擱or愧k)煎。主歸要包嫁括以盼下幾疲個部映分:任務在并行曬庫(紋TP悔L，眠Ta養(yǎng)sk淚P嗎ar源al鳳le吧l踢Li擠br饒ar孔y)嗓：將開維發(fā)并笛行程蜘序的黃抽象遞級別起從低雅級別舞的“激線程場(t委hr弄ea喪d)授”提愉升到頭高級積別的雅“任撤務(嘉Ta她sk榨)"假，開垃發(fā)人嬸員從輸而只而需規(guī)勁定好罵計算遞機要泰執(zhí)行惠的任趁務，野然后爐由.換NE鹽T去乞管理扮。這申一并奧行庫序包含吵了數(shù)火據(jù)的昂并行燦和任深務的愛并行牧。并行迫語言博集成刪查詢色(P拌LI戀NQ藥，P浪ar鮮al襖le挎l即La鮮ng幣ua澆ge刑I假nt掉eg絞ra總te軌d芽Qu逮er另y)這是興.N詳ET歲3赴.0魯引入烤的L煮IN距Q的僑升級凍“產(chǎn)窄品”跳，讓府LI照NQ枕可以姑并行芬執(zhí)行塞。只明是目饒前只摩針對基LI邪NQ稱t歪o責Ob夕je洽ct衫有效掠，也惱就是兇說可之以并圾行的憶查詢躺和處訓理內(nèi)廉存中喇的數(shù)頁據(jù)對滴象。Co埋or聚di沃na順ti輛on雄D茄at喚a判St覆ru拳ct層ur嘉es陶(C儲DS省)主要迅是用細于對稱并行情工作破間的松協(xié)作悼和狀甜態(tài)共牲享提濃供支玩持，摘包括領一系階列因懼滿足室線程肌安全惕而無嶄需加蠟鎖保齊護的然常用疏數(shù)據(jù)食結構革，比日如線墳程安鍛全的炊隊列烘、堆榴棧等農(nóng)。兩種巴模型鋤對比Op銷en涉MP扒通過斃在所濃支持究的編過程語拾言中這加入文特定玻的編努譯指速令，席使得樂實現(xiàn)隔了O欣pe半nM幟P標該準的猴編譯衰器可攪以根夸據(jù)這示些編飾譯指韻令生棍成相屬應的桑并行仙代碼聰。這韻種實避現(xiàn)方姨式的過好處竟在于士：一音旦編獎譯器氧不支處持這誰些編棄譯指猜令，字或者成在編良譯時駛選擇帆關掉珠并行貌開關染，那榜么程外序還?？梢月?/p>