Mutek在MicroBlaze多核平台上的实现

发布时间：2020-04-09 05:25

【摘要】： 多年来微处理器性能的提升大都基于提高单个处理器主频或者指令级并行度进行的。但是随着单个处理器的发展,处理器结构越来越复杂。处理器要使用各种复杂技术来从串行程序中找出可以并行执行的指令,比如乱序执行、猜测执行和硬件分支预测等。这种技术已经很难进一步地提高单处理器的并行能力,晶体管数目的进一步增加也只能得到有限的性能提升,单个处理器主频或者指令级并行度的提高遇到了发展瓶颈。随着集成电路制造工艺的发展和计算机系统结构研究的深入,多核技术将得到更多的发展,多核处理器也将得到越来越广泛的应用。通过在多个执行内核之间划分任务,提高并行度,多核处理器可在特定的时钟周期内执行更多任务,以提高程序的执行效率。多核技术在硬件体系结构设计、核间互连及通信、操作系统、应用程序多线程划分、线程之间通信等方面存在巨大的挑战,同时也存在巨大的研究空间。本文基于对当今主流的多核技术的研究,重点探讨了多核系统中的操作系统设计和移植问题,以及多核平台上应用程序的设计问题。本文的主要研究和贡献如下: 1.在SoCLib多核仿真平台上实现了基于CrossBar互连方式的SPARC多核仿真系统,并采用MJPEG应用程序建立多线程模型,验证结构的正确性。这部分工作基于对多核仿真平台SoCLib的研究,包括SoCLib中核心模块的设计和核之间的互连方式以及应用SoCLib搭建多核仿真系统的方法学。 2.实现了Mutek操作系统的硬件抽象层和线程间通信库,使Mutek适用于MicroBlaze多核系统并能够支持多线程之间的通信,将Mutek操作系统成功移植到了MicroBlaze多核系统平台上。这部分工作基于对Xilinx FPGA、MicroBlaze、Mutek操作系统、KPN模型和MJPEG应用程序的研究。 3.提出了MicroBlaze多核系统改进的三种方案,结合Xilinx硬件平台的特征,实现了带有指令Cache的多核系统改进方案。
【图文】：

系统架构

图 1 POWER5 系统架构Figure1 POWER5 Architecture含两个对称的处理器核心，每个核心中包含独立的一级che)，二级 Cache 是共享的。Power5 通过可扩展的三级不同，异构多核体系中的各个处理核是不同的，按照功核一般为通用处理器，用来进行控制和一些通用运算。类特殊的运算。由IBM、东芝、索尼共同推出的Cell是构是一个单芯片多核心处理单元，它内置9个处理单元，来看，它具有两种类型的处理单元：Power Processor Esor Element (SPE)，，PPE 64-bit架构核心同时兼任32-bit程一个独立处理单元，每个SPE可以全权访问内存储器，，共同交互完成各种复杂工作。Cell处理器架构如图 2

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图 2 Cell 处理器架构Figure2 Cell Architecture1.2.3 多核互连片上网络随着多核系统的发展，简单的总线结构己无法满足多核系统中越来越复杂的通信需求。如何实现一个稳定可靠的内核互连机制，这种互连机制会很大程度上影响多核系统的性能。NoC(Network on Chip)就是将网络技术应于多核模块互连的设计方法，来解决目前总线结构所无法解决的问题[6][7]。NoC 研究的重点在于 NoC 的拓扑结构、NoC 协议、 NoC 服务质量、NoC 的定时和低功耗等问题[7]。选择合适的 NoC 拓扑结构是 NoC 设计中关键的问题。目前，NoC 研究和设计主要借鉴了并行计算机体系结构中的静态网络结构，包含规则和不规则两种结构。常见规则结构如2D-mesh 结构、3 D-mesh 结构、Torus 结构、扁平树结构、环形结构等。多家研究机构采用了 2D-mesh 或者其变形的 Torus 结构为网络的拓扑结构。不规则的结构是由规则结构组合而成的。NOC 拓扑结构对网络延迟、吞吐量、面积、容错、功耗有很大影响外，对设计策略和内核到网络节点的映射起着重要的作用。区别于总线结构的 NoC 的一个重要特征就是采用包交换的路由。路由是确定一个信息
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TP332

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