第10章 多核系统架构与编程
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多核处理器体系结构及并行程序设计
13
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
14
多核技术与超线程技术的结合
Dual Core
2 threads/socket
Dual Core with Hyper-Threading
高效异构多核处理器的体系结构设计与编程优化
高效异构多核处理器的体系结构设计与编程优化当今的计算机科学界，人们对于计算机系统的性能和功耗的要求越来越高，为能够满足这种要求，高效异构多核处理器成为了当前研究的热点之一。
这种处理器是指在同一芯片上使用不同种类的处理器核心，比如CPU、GPU、FPGA等，在不同处理器之间进行分工协作，实现任务的高效处理，从而提高系统的性能并降低功耗。
因此，高效异构多核处理器的体系结构设计和编程优化是至关重要的一步。
一、高效异构多核处理器的体系结构设计高效异构多核处理器的体系结构设计需要从以下三个方面进行考虑。
1. 协作模式协作模式是异构处理器体系结构的核心。
异构处理器的优势在于擅长处理不同类型的任务。
为实现协作，任务被分为不同的部分，根据适应度将任务部分分配给不同类型的处理器核心。
因此，协作是通过任务分配和任务调度工作完成的。
2. 处理器组织结构处理器组织结构是异构处理器体系结构中最为基本的部分。
处理器组织结构包括多个处理器核心，内存等存储和数据I/O接口等。
处理器核心是异构多核处理器中的重要组成部分，是整个计算机架构的决定性因素。
除了传统的CPU，现在一般的高效异构多核处理器也包括GPU和FPGA等，同时还拥有丰富的内存和数据I/O接口，从而实现高速的数据处理和传输能力。
3. 系统架构系统架构通常指处理器和系统互连方案。
其中，系统互连是指方法或技术，用于将多个处理器核心连接在一起，实现高效的任务协作以及对内存、I/O以及其它资源的共享。
有线互连、无线互连和三维互连都是常用的系统互连技术。
二、高效异构多核处理器的编程优化在高效异构多核处理器中，编程优化是系统性能优化的关键。
但是，异构多核处理器的不同内部构造和处理器核心之间的协作方式都各有特点，因此，各种不同处理器之间的编程实现也会不同。
以下是针对CPU、GPU和FPGA等各种异构多核处理器的编程优化措施。
1. CPU编程优化CPU是目前最广泛使用的处理核心，因此，针对CPU的编程优化也尤为重要。
2019年-多核处理器体系结构及并行程序设计-PPT精选文档
2 threads can be executed at the same time (per processor) if they’re not competing for the same execution resource
11
Single core , With HT
point threads in a P4P architecture)
• Ex 2: 一个integer线程与一个floating point线程
– 性能大幅度提升 – 没有资源冲突
10
Single core , With HT
( Eg. Pentium 4 Processor With HT )
Integer and Floating Point Threads
State State Execution Cache Bus
2 Threads 1 Package
State Execution
Cache Bus
State Execution
Cache Bus
2 Threads 2 Packages
8
State Execution
4
为什么要采用多核技术？
5
最终目标: 提升用户的体验
• 摩尔定律 —— 不断发展和改进处理器的性能
• 最大限度地利用越来越多的晶体管
– 实现最优的价值 – 缩减处理时间，提高计算能力 – 开发平台的新特性和新功能
BTB & I-TLB Decoder
Trace Cache
Floating Point
uCode ROM
2 threads CANNOT be executed at the same time (per processor) if
CPU的多核心架构及计算单元详解
CPU的多核心架构及计算单元详解中央处理器（CPU）是计算机系统中的核心组件之一，它承担着执行计算和控制操作的任务。
随着计算机的快速发展，人们对于性能的要求也越来越高。
为了满足用户对于多任务处理和高性能计算的需求，CPU的多核心架构逐渐兴起。
本文将详细介绍CPU的多核心架构以及其中的计算单元。
一、CPU的多核心架构1.1 多核心概念及发展多核心是指在一个CPU芯片上集成多个独立的处理器核心。
与传统的单核心CPU相比，多核心架构能够同时处理多个线程或任务，提升计算机的整体性能。
多核心架构的发展源于摩尔定律的进展。
根据摩尔定律，集成电路中的晶体管数量每18个月翻倍，这意味着CPU的计算能力也在同期间不断提升。
然而，到了一定程度，提升频率并不能显著增加CPU的性能，因为频率增加会导致功耗和发热的问题。
因此，为了进一步提升性能，多核心架构成为了解决方案。
1.2 多核心的优势多核心架构具有如下几个优势：1.2.1 提升系统性能：多核心能够同时处理多个任务或线程，有效提高了系统的整体性能。
特别是对于多线程应用程序或者同时执行多个任务的场景，多核心能够更好地满足用户需求。
1.2.2 节能降耗：与提升频率相比，多核心架构能更好地平衡性能和功耗。
通过将任务分配到多个核心上执行，每个核心的工作频率可以降低，从而减少功耗和发热，延长电池续航时间。
1.2.3 增强并行计算能力：多核心为并行计算提供了强大的支持。
对于需要大量计算的应用程序，多个核心可以同时进行计算，加速处理过程。
1.3 多核心架构的实现方式多核心架构的实现方式主要有对称多处理（SMP）和复杂指令集计算（CISC）。
对称多处理(SMP)是指每个核心拥有相同的访问权限和权力，可以独立运行不同的任务。
SMP架构中，每个核心可以共享同一份操作系统，从而实现大部分应用程序的并行执行。
复杂指令集计算(CISC)则是在一个CPU芯片上，集成多个核心以及专用的计算单元，每个计算单元负责执行特定类型的计算任务。
多核处理器架构优化与多线程编程模型研究
多核处理器架构优化与多线程编程模型研究随着科技的发展，计算机领域对于处理器性能的追求也越来越高。
多核处理器架构成为了提高计算性能的有效解决方案。
然而，要充分发挥多核处理器的优势，就需要对其架构进行优化，并研究适合的多线程编程模型。
在多核处理器架构优化方面，主要有以下几个关键点：第一，针对多核处理器中的共享缓存，优化缓存一致性协议。
由于多核处理器中多个核心共享同一级缓存，为了保证数据的一致性，需要设计合适的缓存一致性协议。
目前主要的缓存一致性协议有MESI（修改、独占、共享、无效）协议和MOESI（修改、独占、共享、所有者、无效）协议。
针对不同的应用场景选择合适的缓存一致性协议，可以减少缓存一致性开销，提高处理器性能。
第二，优化内存子系统，并减少内存访问的延迟。
内存访问的延迟是影响多核处理器性能的重要因素。
可以通过增加高速缓存的容量和级别，减少对主存的访问。
此外，还可以通过一致性预测、延迟隐藏等技术来减少内存访问的延迟，提高处理器效率。
第三，设计高效的任务调度算法。
多核处理器中，任务调度变得更加复杂。
传统的静态任务划分方法在负载均衡和处理器利用率上存在不足。
因此，需要研究设计高效的任务调度算法，实现任务的动态分配和负载均衡，使各个核心能够充分利用，并减少运行时间。
在多线程编程模型研究方面，主要有以下几个关键点：第一，设计并发编程模型，在多核处理器上实现多线程并行。
多线程并行可以提高计算性能，但也带来了线程同步和互斥等问题。
因此，需要设计适合多核处理器的并发编程模型，提供高效的同步机制和线程调度策略，实现线程之间的协作和互斥。
第二，研究线程调度算法，提高线程并行的效率。
在多线程编程中，线程调度算法对于性能的影响非常大。
合理的线程调度算法可以充分利用多核处理器的并行性能，并提高整体的执行效率。
常用的线程调度算法包括抢占式调度和非抢占式调度等。
第三，研究线程间通信的机制和技术。
在多核处理器上，线程之间的数据通信是必不可少的。
多核体系结构
多核体系结构随着桌面并行时代的来临，基于多核的并行计算机已进入千家万户。
例如，很多人的笔记本就装有两个处理器芯片，台式计算机装有四个芯片。
INTEL、AMD在多核技术方向的相继突破，更使得并行计算成为研究热点之一。
虽然多核时代已经到来，目前的困境是，多核硬件技术已成熟，但并行处理核心算法等应用问题却尚未得到解决。
中国科大研究人员所做的这项研究在网络数据包的有效分类算法，也即网络核心算法的研究方面获得进展。
多核的普及是很重要的，因为以往仅仅提供高单线程性能。
我们观察到，在一个大型变繁忙的内核数量多核心，这技术的应用是最理想的任何个人。
每个单是往往无法把所有的方式多核其功率或温度信封由于电源电压或错误率的限制。
事务性记忆已经被提出来，用以解决一些芯片多处理器的可编程性问题。
事务性内存硬件实现在提供的功能的支持，如取得重大进展，比如长期交易，泄漏出的高速缓存，和上下文切换并在交易中线程迁移。
通过集成在单个芯片中的多个内核，芯片多处理器提供一个有吸引力的方法同时提高系统的吞吐量和效率。
这种集成允许在片上资源，这可能会导致破坏性的共享相互干扰的执行工作负载。
共享资源是一个重要的功能，它有助于显着的整体吞吐量和降低功耗。
为了提高系统性能和降低个别表现波动线程，已经提出最后一级缓存和片外带宽分配计划。
多核技术已经是现代处理器发展的主流趋势,它的诞生给软件开发技术带来了新的挑战。
如何编写出高效的并行程序使之充分地利用多核的资源,这一直是学术界和工艺界致力于解决的难题。
多核程序的性能调试对于开发高效的并行程序来说,具有良好地辅助作用。
它通过分析程序的行为并诊断其性能瓶颈,进而给性能优化提供有效的支持。
由于并行程序的动态性和不确定性,传统的代码分析技术很难有效地检测其性能瓶颈。
有的研究工作提出在软件层分析程序运行时行为,这通常会引入很大的运行时开销,并且获得数据精确度很低。
硬件的实现虽然运行时开销低,然而其结构扩展引入的开销又会损伤程序的性能。
多核编程入门
多核编程入门作者: chengjia4574@ sinaweibo: jiayy时间：2012-8-8说明：本文是多核编程的入门资料汇总，来源主要是国外国内的一些网站及自己使用过程中一些记录，写作目的主要是内部分享用（@NSFOCUS）。
在多核使用过程中，得益于很多网络资源，所以也把自己整理的产品无关的东西共享出来，希望对多核感兴趣的同学可以入门用。
目录一. 并发与并行的区别？ (1)1.1串行 (1)1.2并发 (1)1.3并行 (1)1.4多核编程的难点 (2)二. 多核体系架构 (3)2.1多核处理器定义 (3)2.2多核发展趋势 (3)2.3一个多核处理器架构例子 (5)2.4L INUX 线程核绑定 (6)2.4.1 核亲和性绑定 (6)2.4.2 资源控制cgroup (8)三. 内存模型 (8)3.1操作原子性 (9)3.1.1 原子性的3种保证机制 (9)3.1.2 硬件原子操作 (9)3.1.3 总线锁-原子操作原语 (12)3.2缓存一致性 (16)3.2.1 定义 (16)3.2.2 CC协议 (17)3.2.3 伪共享 (21)3.3顺序一致性 (24)3.3.1 定义 (24)3.3.2 几种顺序约束 (25)3.3.3 乱序执行和内存屏障 (28)四. 并发级别 (31)4.1W AIT-FREEDOM 无等待并发 (32)4.2L OCK-FREEDOM 无锁并发 (32)4.3O BSTRUCTION-FREEDOM 无阻塞并发 (33)4.4B LOCKING ALGOITHMS 阻塞并发 (33)五. 锁 (34)5.1信号量 (34)5.2自旋锁 (35)5.3读写锁 (35)5.4顺序锁 (37)5.5RCU (38)六. 无锁编程 (38)6.1定义 (39)七. 并发数据结构、开源库 (41)7.1一些开源的并发库 (41)7.2一次无锁哈希表跟基于锁的哈希表性能对比测试 (41)7.2.1 测试平台 (41)7.2.2 测试过程 (42)7.2.3 哈希算法 (43)7.2.4 测试结果 (44)八. 多核工程实践 (44)8.1网络设备：I NTEL DPDK (44)8.2网络游戏 (44)8.3手机开发 (45)九. 参考 (45)表格索引表 3.1 CC 示意图 (24)表 3.2 CC示意图2 (24)插图索引图 1.1 并发和并行的区别 (2)图 2.1 PC和手机核心增长趋势图 (4)图 2.2 最新的MAC PRO 已经配备12个核心 (4)图 2.3 三星推出了8核心的手机处理器 (4)图 2.4 共享缓存多核处理器体系架构图实例 (5)图 2.5 处理器各组件功能说明 (5)图 2.6 共享缓存多核处理器架构缓存示意图 (6)图 3.1 DPDK, CAS 实现代码 (14)图 3.2 DPDK: 原子ADD实现代码 (15)图 3.3 DPDK: 原子自增实现代码 (15)图 3.4 MESI 协议 (17)图 3.5 MOESI 状态机 (18)图 3.6 CC协议示例代码 (18)图 3.7 初始状态 (19)图 3.8 Ｘ已经写入缓存 (20)图 3.9 Ｘ增加了１００１０ (20)图 3.10 CORE1从CORE0的缓存里读走数据 (21)图 3.11 伪共享 (22)图 3.12 缓存行伪共享 (23)图 3.13 缓存行填充 (23)图 3.14 一些体系架构的内存顺序标准 (27)图 3.15 强内存顺序模型和弱内存顺序模型一些例子 (27)图 3.16 编译乱序和运行乱序 (28)图 3.17 乱序执行 (30)图 3.18 内存屏障 (31)图 4.1 几种并发级别的对比 (34)图 5.1 读写锁 (35)图 5.2 申请读锁 (36)图 5.3 释放读锁 (36)图 5.4 申请写锁 (37)图 5.5 释放写锁 (37)图 6.1 什么是无锁编程 (39)图 6.2 无锁编程涉及的技术 (40)图7.1 INTEL E5-2658 (42)图7.2 E5-2658 核分布 (42)一. 并发与并行的区别？首先了解几个概念：1.1 串行最基本的程序执行方式，串行程序的整个运行时，只有一个调用栈和一个运行时上下文.单进程/单线程程序可以认为是串行程序.1.2 并发多线程出现后比较常见的程序执行方式，多线程程序运行时，会有多个运行时上下文和对应的多个调用栈。
最新多核体系结构与并行编程模型计算机科学导论第八讲幻灯片课件
– 专门规则描述的是，在有共享内存的多处理器系 统上，在它们读写共享内存操作的可能执行顺序 中，哪些顺序是正确的
– 有些模型的专门规则对软件只有少量限制，而有
些则使普通编程几乎成为不可能。规则限制少的
模型没有限制多的模型执行效果好
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内存一致性模型
• 内存一致性模型
– 内存一致性模型是理解并行程序语义的一个关键 – 为确保写出正确的并行程序，程序员必须准确理
– 任务并行：每个处理器执行不同的任务
– 数据并行：把大任务分解成若干个相同的子任务
3. … …
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内存一致性模型
• 并行计算给共享变量读写带来的问题
串行程序
x的初值为0
x=x+1 x=x+2
并行程序
x在共享存储中，初值为0
x = x + 1 || x = x + 2
（注：|| 分隔两段并行代码）
进 入 夏 天 ，少 不了一 个热字 当头， 电扇空 调陆续 登场， 每逢此 时，总 会想起 那 一 把 蒲 扇 。蒲扇 ，是记 忆中的 农村， 夏季经 常用的 一件物 品。 记 忆 中 的故 乡 ， 每 逢 进 入夏天 ，集市 上最常 见的便 是蒲扇 、凉席 ，不论 男女老 少，个 个手持 一 把 ， 忽 闪 忽闪个 不停， 嘴里叨 叨着“ 怎么这 么热” ，于是 三五成 群，聚 在大树 下 ， 或 站 着 ，或随 即坐在 石头上 ，手持 那把扇 子，边 唠嗑边 乘凉。 孩子们 却在周 围 跑 跑 跳 跳 ，热得 满头大 汗，不 时听到 “强子 ，别跑 了，快 来我给 你扇扇 ”。孩 子 们 才 不 听 这一套 ，跑个 没完， 直到累 气喘吁 吁，这 才一跑 一踮地 围过了 ，这时 母 亲总是 ，好似 生气的 样子， 边扇边 训，“ 你看热 的，跑 什么？ ”此时 这把蒲 扇， 是 那 么 凉 快 ，那么 的温馨 幸福， 有母亲 的味道 ！ 蒲 扇 是 中 国传 统工艺 品，在 我 国 已 有 三 千年多 年的历 史。取 材于棕 榈树， 制作简 单，方 便携带 ，且蒲 扇的表 面 光 滑 ， 因 而，古 人常会 在上面 作画。 古有棕 扇、葵 扇、蒲 扇、蕉 扇诸名 ，实即 今 日 的 蒲 扇 ，江浙 称之为 芭蕉扇 。六七 十年代 ，人们 最常用 的就是 这种， 似圆非 圆 ， 轻 巧 又 便宜的 蒲扇。 蒲 扇 流 传 至今， 我的记 忆中， 它跨越 了半个 世纪， 也 走 过 了 我 们的半 个人生 的轨迹 ，携带 着特有 的念想 ，一年 年，一 天天， 流向长
多核体系结构
多处理器的体系结构前言随着单个处理器的性能越来越逼近其物理极限,现在的处理器设计方向可以大致有两类，一是采用单片上集成多个核中或者采用一个核中多个物理线程的方法来达到并行的目的，从而提高性能；另一个方向是嵌入式应用，这有两种思路即将通用处理器扩展、改装成能适合各种嵌入式应用（90％的份额是DSP），或者将DSP扩展、改装以吸收部分通用微处理器的特点。
事实上，在2000年，嵌入式芯片的销售量已经是通用PC微处理能的两倍多。
但是从编译的角度来看DSP 由于其不规则、复杂的结构以及指令集结构，导致无法很好的利用编译器。
当然，现在DSP的一个研究方向就是吸收通用微处理器的特点，以方便编译器的使用。
按键字多处理器体系结构 SMP SMT CMP多发射处理器（Multi-issue processor）多发射处理器包括超标量(Superscalar)和超长指令字（Very-Long Instruction Word，VLIW）处理器,其思想是允许在一个时钟周期内发射多条指令以减少处理器的平均CPI, 更好地利用处理器的功能部件。
提高多发射处理器资源利用率的关键问题是：如何在程序中找到足够的指令级并行性。
超标量处理器在每个时钟周期发射由硬件动态确定的指令，而VLIW处理器则在每个时钟周期发射出编译器确定的固定数目的操作。
超标量处理器是依赖硬件来发现ILP，而VLIW处理器则依赖编译器来发现ILP。
不管是超标量还是VLTW处理器都只能挖掘同一个线程的ILP来提高处理器资源利用率。
当多发射处理器不能发现足够的指令来添满发射槽时，水平浪费（Horizontal Waste）就发生了。
此外当资源冲突造成多发射处理器在接下来的时钟周期中不能发射指令，则造成了垂直浪费（Vertical Waste）。
如图1所示为多发射处理器中可能造成的垂直浪费和水平浪费情况。
图１中空白块表示该指令发射槽（Issue Slot）浪费了；不同的填充色表示不同线程。
多核架构及编程技术课程总结
CPU 状态 中断逻辑
CPU 状态 中断逻辑
执行单元 Cache
CPU 状态 中断逻辑
CPU 状态 中断逻辑
执行单元 Cache
(f) 采用超线程技术的多核体系结构
与多核对应的芯片组
PPrroocceessssoorr
Front Side Bus
North Bridge / MCH (北桥)
HHiigghh--SSppeeeedd II//OO
自动恢复：一旦事件发生并被处理后，自动恢复到没有事件状 态，不需要再次设置。
同步的机制简介(续)
临界区
一种防止多个线程同时执行一个特定代码段的机制 适用于多个线程操作之间没有先后顺序但要求互斥的同步。多个
线程访问同一个临界区的原则： 一次最多只能一个线程停留在临界区内 不能让一个线程无限地停留在临界区内，否则其他线程将不 能进入该临界区
MIMD异步并行计算模型
异步PRAM模型 BSP模型 LogP模型 C3模型
并行编程环境
比较流行的并行编程环境主要有3类：消息传递、 共享存储和数据并行
特征 消息传递 共享存储 数据并行
典型代表 MPI, PVM OpenMP
HPF
可移植性 所有主流并行 SMP, DSM SMP, DSM,
事件
事件是WIN32提供的最灵活的线程间同步方式，各线程 根据事件的激发状态来决定是否运行相应的线程函数。
事件存在两种状态： 激发状态(signaled or true) 未激发状态(unsignal or false)
事件可分为两类：
手动设置：这种对象只能用程序来手动设置，在需要该事件或者 事件发生时，采用SetEvent及ResetEvent来进行设置。
多核编程E
4.进程与程序的关系 4.进程与程序的关系 程序是指令的有序集合，其本身没有任何运行的含义，是一 个静态的概念。而进程是程序在处理机上的一次执行过程， 它是一个动态的概念。 （1）程序可以作为一种软件资料长期存在，而进程是有一定 生命期的。程序是永久的，进程是暂时的。 （2）进程更能真实地描述并发，而程序不能；进程是由程序 和数据两部分组成的。 （3）进程具有创建其他进程的功能，而程序没有。 （4）同一程序同时运行于若干个数据集合上，它将属于若干 个不同的进程。也就是说同一程序可以对应多个进程。 （5）在传统的操作系统中，程序并不能独立运行，作为资源 分配和独立运行的基本单元都是进程。
一个进程内的线程示例
进程与线程的关系
进程
程序在操作系统中作为进程方 式存在、获取资源、运行。 在一个进程内，线程可以创建 其它线程。每个线程有各自的 栈(stack)。 (stack)。 一个进程内所有的线程共享代 码段和数据段。
进程与线程的关系
线程和进程的区别在于： 子进程和父进程有不同的代码和数据空间, 而多个线程则共享数据空间,每个线程有自己的执行堆栈和程 序计数器为其执行上下文. 多线程主要是为了节约CPU时间,发挥利用,根据具体情况而定. 线程的运行中需要使用计算机的内存资源和CPU
凡是用于完成操作系统的各种功能的进程就是系统进程，它 凡是用于完成操作系统的各种功能的进程就是系统进程，它 们就是处于运行状态下的操作系统本身； 用户进程就是所有由你启动的进程。进程是操作系统进行资 用户进程就是所有由你启动的进程。进程是操作系统进行资 源分配的单位。 操作系统引入进程概念的原因: 操作系统引入进程概念的原因: 从理论角度看，是对正在运行的程序过程的抽象； 从实现角度看，是一种数据结构，目的在于清晰地刻划动 态系统的内在规律，有效管理和调度进入计算机系统主存 储器运行的程序。
龙芯 2G 处理器用户手册 上册 - 多核处理器架构、寄存器描述与系统软件编程指南说明书
龙芯2G处理器用户手册上册多核处理器架构、寄存器描述与系统软件编程指南2012年3月中国科学院计算技术研究所龙芯中科技术有限公司版权声明本文档版权归北京龙芯中科技术有限公司所有，并保留一切权利。
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龙芯中科技术有限公司Loongson Technology Corporation Limited地址：北京市海淀区中关村科学院南路10号No.10 Kexueyuan South Road, Zhongguancun Haidian District, Beijing电话(Tel)：************传真(Fax)：************阅读指南本手册分为两部分，第一部分（第1章~第10章）介绍龙芯2G多核处理器架构与寄存器描述，对芯片系统架构、主要模块的功能与配置、寄存器列表及位域进行详细说明；第二部分（第11章~第16章）是系统软件编程指南，对BIOS和操作系统开发过程中的常见问题进行专题介绍。
关于龙芯2G多核芯片所集成的GS464高性能处理器核的相关资料，请参阅《龙芯GS464处理器核用户手册》。
IV修订历史目录图目录.......................................................................................................................... I V 表目录 (V)第一部分 (7)1 概述 (1)2 系统配置与控制 (3)2.1 控制引脚说明 (3)2.2 Cache一致性 (4)2.3 系统节点级的物理地址空间分布 (4)2.4 地址路由分布与配置 (6)2.5 芯片配置及采样寄存器 (11)3 GS464处理器核 (13)4 二级Cache (15)5 矩阵转置模块 (17)6 处理器核间中断与通信 (20)7 I/O中断 (22)8 DDR2/3 SDRAM控制器配置 (25)8.1 DDR2/3 SDRAM控制器功能概述 (25)8.2 DDR2/3 SDRAM读操作协议 (26)8.3 DDR2/3 SDRAM写操作协议 (26)8.4 DDR2/3 SDRAM参数配置格式 (27)9 HyperTransport控制器 (73)9.1 HyperTransport硬件设置及初始化 (73)9.2 HyperTransport协议支持 (74)9.3 HyperTransport中断支持 (76)9.4 HyperTransport地址窗口 (76)9.4.1 HyperTransport空间 (76)9.4.2 HyperTransport控制器内部窗口配置 (77)9.5 配置寄存器 (78)9.5.1 Bridge Control (80)9.5.2 Capability Registers (80)9.5.3 自定义寄存器 (82)9.5.4 接收地址窗口配置寄存器 (83)9.5.5 中断向量寄存器 (85)9.5.6 中断使能寄存器 (87)9.5.7 Interrupt Discovery & Configuration (88)9.5.8 POST地址窗口配置寄存器 (89)9.5.9 可预取地址窗口配置寄存器 (90)9.5.10 UNCACHE地址窗口配置寄存器 (91)9.5.11 HyperTransport总线配置空间的访问方法 (92)10 低速IO控制器配置 (94)10.1 LPC控制器 (94)10.2 UART控制器 (96)10.2.1 数据寄存器（DAT） (96)10.2.2 中断使能寄存器（IER） (96)10.2.3 中断标识寄存器（IIR） (97)10.2.4 FIFO控制寄存器（FCR） (98)10.2.5 线路控制寄存器（LCR） (98)10.2.6 MODEM控制寄存器（MCR） (100)10.2.7 线路状态寄存器（LSR） (100)10.2.8 MODEM状态寄存器（MSR） (102)10.2.9 分频锁存器 (102)10.3 SPI控制器 (103)10.3.1 控制寄存器（SPCR） (103)10.3.2 状态寄存器（SPSR） (104)10.3.3 数据寄存器（TxFIFO） (104)10.3.4 外部寄存器（SPER） (104)10.4 IO控制器配置 (106)第二部分 (110)11 中断的配置及使用 (111)11.1 中断的流程 (111)11.2 中断路由及中断使能 (111)11.2.1 中断路由 (112)11.2.2 中断使能 (114)11.3 中断分发 (115)12 串口的配置及使用 (117)12.1 可选择的串口 (117)12.2 PMON的串口配置 (117)12.3 Linux内核的串口配置 (118)13 EJTAG调试 (120)13.1 EJTAG介绍 (120)13.2 EJTAG工具使用 (121)13.2.1 环境准备 (121)13.2.2 PC采样 (121)13.2.3 读写内存 (121)13.2.4 执行说明 (121)14 地址窗口配置转换 (125)14.1 一二级交叉开关地址窗口配置方法 (125)14.2 一级交叉开关地址窗口 (125)14.3 一级交叉开关地址窗口配置时机 (127)14.4 二级交叉开关地址窗口 (127)14.5 对地址窗口配置的特别处理 (128)14.6 HyperTransport地址窗口 (129)14.6.1 处理器核对外访问地址窗口 (130)14.6.2 外部设备对处理器芯片内存DMA访问地址窗口 (131)14.6.3 低速设备地址窗口 (131)14.7 地址空间配置实例分析 (131)14.7.1 一级交叉开关实例1 (132)14.7.2 一级交叉开关实例2 (133)14.7.3 二级交叉开关实例1 (134)14.7.4 二级交叉开关实例2 (135)15 系统内存空间分布设计 (137)15.1 系统内存空间 (137)15.2 系统内存空间与外设DMA空间映射关系 (140)15.3 系统内存空间的其它映射方法 (141)16 X系统的内存分配 (142)龙芯2G处理器用户手册图目录图目录图1-1龙芯2G芯片结构 (1)图3-1 GS464结构图 (14)图7-1龙芯2G处理器中断路由示意图 (22)图8-1 DDR2 SDRAM行列地址与CPU物理地址的转换 (25)图8-2 DDR2 SDRAM读操作协议 (26)图8-3 DDR2 SDRAM写操作协议 (26)图9-1龙芯2号中HT协议的配置访问 (93)图11-1 2G-690e中断流程图 (111)图11-2 龙芯2G处理器中断路由示意图 (112)图13-1 EJTAG调试系统 (120)图16-1显卡处理图像显示的过程 (142)表目录表2-1 控制引脚说明 (3)表2-2 节点级的系统全局地址分布 (4)表2-3 节点内的地址分布 (5)表2-4 节点内的地址分布 (6)表2-5 一级交叉开关地址窗口寄存器表 (6)表2-6 2级XBAR处，标号与所述模块的对应关系 (9)表2-7 MMAP字段对应的该空间访问属性 (9)表2-8二级XBAR地址窗口转换寄存器表 (9)表2-9二级XBAR缺省地址配置 (10)表2-10芯片配置寄存器（物理地址0x1fe00180） (11)表2-11 芯片采样寄存器（物理地址0x1fe00190） (11)表4-1 二级Cache锁窗口寄存器配置 (15)表5-1 矩阵转置编程接口说明 (17)表5-2 矩阵转置寄存器地址说明 (18)表5-3 trans_ctrl寄存器的各位解释 (18)表5-4 trans_status寄存器的各位解释： (19)表6-1处理器核间中断相关的寄存器及其功能描述 (20)表6-2 0号处理器核核间中断与通信寄存器列表 (20)表6-3 1号处理器核的核间中断与通信寄存器列表 (20)表6-4 2号处理器核的核间中断与通信寄存器列表 (21)表6-5 3号处理器核的核间中断与通信寄存器列表 (21)表7-1中断控制寄存器 (23)表7-2 IO控制寄存器地址 (23)表7-3中断路由寄存器的说明 (23)表7-4中断路由寄存器地址 (24)表8-1 DDR2 SDRAM配置参数寄存器格式 (27)表9-1 H yperTransport总线相关引脚信号 (73)表9-2 HyperTransport接收端可接收的命令 (75)表9-3 两种模式下会向外发送的命令 (75)表9-4 默认的HyperTransport地址窗口的地址 (76)表9-5 龙芯2G处理器HyperTransport接口地址窗口分布 (77)表9-6龙芯2号处理器HyperTransport接口中提供的地址窗口 (77)表9-7本模块中所有软件可见寄存器 (78)表10-1 LPC控制器地址空间分布 (94)表10-2 LPC配置寄存器含义 (95)表10-3 IO控制寄存器 (106)表10-4寄存器详细描述 (107)表11-1中断路由寄存器的说明 (112)表11-2中断路由寄存器地址 (113)表11-3中断控制位连接及属性配置 (114)表14-1 【请给出表头】 (126)表14-2 【请补充表头】 (127)第一部分多核处理器架构、寄存器描述1概述龙芯2G是一个3-4核的处理器，采用65nm工艺制造，最高工作频率为1GHz，主要技术特征如下：•片内集成3-4个64位的四发射超标量GS464高性能处理器核；•片内集成4 MB的分体共享二级Cache(由4个体模块组成，每个体模块容量为1MB) ；•通过目录协议维护多核及I/O DMA访问的Cache一致性；•片内集成2个64位400MHz的DDR2/3控制器；•片内集成1个16位800MHz的HyperTransport控制器；•片内集成1个LPC、2个UART、1个SPI、16路GPIO接口；龙芯2G芯片整体架构基于两级互连实现，结构如图1-1所示。
多核处理器架构与并行编程模型研究
多核处理器架构与并行编程模型研究随着计算机硬件技术的不断发展，多核处理器架构逐渐成为主流。
多核处理器通过在一个芯片上集成多个独立的处理核心，可以同时执行多个线程，提高计算机的处理能力和性能。
然而，要充分发挥多核处理器的潜力，并行编程模型的研究至关重要。
本文将重点探讨多核处理器架构与并行编程模型的研究现状和发展趋势。
首先，多核处理器的架构对并行编程模型的设计和优化起到至关重要的作用。
传统的多核处理器采用对称多处理器（SMP）架构，所有核心共享同一个内存和总线。
这种架构简单易用，但在多核设备上的扩展性较差。
更为先进的多核处理器架构是非统一内存访问（NUMA）架构，每个核心都有独立的本地内存，通过高速互连网络连接在一起。
NUMA架构可以提供更好的内存访问效率，但对编程模型的要求也更高。
目前，主流的并行编程模型主要包括共享内存模型和消息传递模型。
共享内存模型是最为常见的并行编程模型，基于线程间共享内存的方式进行通信和同步。
常用的共享内存编程接口包括OpenMP和Cilk Plus。
共享内存模型的优势在于方便易用，但需要处理多线程间的同步和竞争条件，容易出现数据一致性等问题。
相比之下，消息传递模型基于进程间的消息传递进行通信。
这种模型的代表是MPI（Message Passing Interface），它可以在分布式内存系统中实现跨节点的通信。
消息传递模型的优势在于可扩展性强，适用于大规模并行计算。
然而，编写消息传递模型的程序需要显式地处理消息传递和同步，代码复杂度较高。
此外，还有一些新兴的并行编程模型，如GPU加速计算和分布式编程模型。
GPU加速计算利用了图形处理器（GPU）的强大计算能力，在某些应用领域有很高的效率。
分布式编程模型则将计算任务分布到多个计算节点上，可以实现更高的计算性能和更大规模的计算。
多核处理器架构与并行编程模型之间存在一定的紧密联系。
首先，多核处理器的架构对并行编程模型的选择和优化具有重要影响。
多核架构及编程技术
指令流是指机器执行的指令序列，数据流是指指令流 调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。
并行是个广义的概念，并行是一个广义 的概念，根据实现层次的不同，可以分 为几种方式。
从系统结构的角度，
并行计算机目前有以下几种：
1)分布式存储器的SIMD处理机。含有多个同样结构的处理单元(PE)，通 过寻径网络以一定方式互相连接。 2)向量超级计算机(共享式存储器SIMD)。集中设置存储器，共享的多个并 行存储器通过对准网络与各PE相连。 3)对称多处理器(SMP)。一个计算机上汇集了一组处理器，各处理器之间 共享内存子系统以及总线结构。 4)并行向量处理机(PVP)。有专门定制的向量处理器，通过向量处理和多个 向量处理器并行处理两条途径来提高处理能力。 5)集群计算机。随着微处理器和网络技术的进步而逐渐发展起来的，它主要用 来解决大型计算问题。是一种并行或分布式处理系统，由很多连接在一起的独 立计算机组成，像一个单集成的计算机资源一样协同工作。 6)网格计算是伴随着互联网技术而迅速发展起来的，专门复杂科学计算的新 型计算模式。
多核所属体系---并行计算体系
并行计算机是由一组处理单元组成的， 通过相互之间的通信与协作，以更快的 速度共同完成一项大规模的计算任务。 20世纪60年代初，晶体管以及磁芯存储 器的出现，处理单元变得越来越小，存 储器也更加小巧和廉价。这些技术导致 了并行计算机的出现。这一时期的并行 计算机多是规模不大的共享存储器系统， 例如IBM360。二十世纪70年代末期，同 一个处理器开始设置多个功能相同的功 能单元，流水线技术也出现了。这些并 行特性的应用大大提高了并行计算机系 统的性能。
多核处理器
并行计算机与超级计算机技术，为多核计算机的出现奠定 了基础。集成电路的进步也为多核芯片提供了物理条件。
并行是个广义的概念，并行是一个广义 的概念，根据实现层次的不同，可以分 为几种方式。
从系统结构的角度，
并行计算机目前有以下几种：
1)分布式存储器的SIMD处理机。含有多个同样结构的处理单元(PE)，通 过寻径网络以一定方式互相连接。 2)向量超级计算机(共享式存储器SIMD)。集中设置存储器，共享的多个并 行存储器通过对准网络与各PE相连。 3)对称多处理器(SMP)。一个计算机上汇集了一组处理器，各处理器之间 共享内存子系统以及总线结构。 4)并行向量处理机(PVP)。有专门定制的向量处理器，通过向量处理和多个 向量处理器并行处理两条途径来提高处理能力。 5)集群计算机。随着微处理器和网络技术的进步而逐渐发展起来的，它主要用 来解决大型计算问题。是一种并行或分布式处理系统，由很多连接在一起的独 立计算机组成，像一个单集成的计算机资源一样协同工作。 6)网格计算是伴随着互联网技术而迅速发展起来的，专门复杂科学计算的新 型计算模式。
多核所属体系---并行计算体系
并行计算机是由一组处理单元组成的， 通过相互之间的通信与协作，以更快的 速度共同完成一项大规模的计算任务。 20世纪60年代初，晶体管以及磁芯存储 器的出现，处理单元变得越来越小，存 储器也更加小巧和廉价。这些技术导致 了并行计算机的出现。这一时期的并行 计算机多是规模不大的共享存储器系统， 例如IBM360。二十世纪70年代末期，同 一个处理器开始设置多个功能相同的功 能单元，流水线技术也出现了。这些并 行特性的应用大大提高了并行计算机系 统的性能。
多核处理器
并行计算机与超级计算机技术，为多核计算机的出现奠定 了基础。集成电路的进步也为多核芯片提供了物理条件。
多核计算机系统的操作系统
·操作系统类型
操作系统类型
Unix、Linux、Windows 2000/2003 server
网络操作系统
分布式操作系统
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。
嵌入式操作系统
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Disk/Tape/Memory
·操作系统是什么
操作系统是什么
从服务用户的观点――操作系统是用户与裸机之间接口 系统提供的接口有二类： 命令级接口，它提供一组键盘或鼠标命令。 程序级接口，它提供一组系统调用System calls ，即OS中功能，供用户程序和其它程序调用。
操作系统定义
操作系统是一组有效控制和管理计算机系统的硬件和软件资源、合理地组织计算机工作流程以及方便用户的程序集合。 有效（efficient）：系统效率，资源利用率 （如：CPU利用的充足与否，内存、外部设备是否忙碌） 合理：公平与否，如果不公平则会产生“死锁”或“饥饿” 方便（convenience）：用户界面,编程接口
最短运行时间进程优先策略
FCFS策略中，因为是严格按照先到先服务的策略，有运行时间很短的进程可能会等待运行时间长的进程结束后才能得到运行机会。 是非抢占式策略。具有最短执行时间的进程被选为下一个运行的进程。 在“就绪队列”中，最短运行时间的进程将跳到队列队首。
最短剩余运行时间进程优先策略
按照最短剩余运行时间的策略进行下一个被运行的进程的选择依据。 抢占式。 方法同SPN。
调度策略决策模式
非抢占式（Non-preemptive）
一旦某个进程处在运行状态，这个进程将持续运行直至该线程因为等待I/O准备好或需要对操作系统请求其它服务，而不得不中断本身的运行。
操作系统类型
Unix、Linux、Windows 2000/2003 server
网络操作系统
分布式操作系统
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嵌入式操作系统
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Disk/Tape/Memory
·操作系统是什么
操作系统是什么
从服务用户的观点――操作系统是用户与裸机之间接口 系统提供的接口有二类： 命令级接口，它提供一组键盘或鼠标命令。 程序级接口，它提供一组系统调用System calls ，即OS中功能，供用户程序和其它程序调用。
操作系统定义
操作系统是一组有效控制和管理计算机系统的硬件和软件资源、合理地组织计算机工作流程以及方便用户的程序集合。 有效（efficient）：系统效率，资源利用率 （如：CPU利用的充足与否，内存、外部设备是否忙碌） 合理：公平与否，如果不公平则会产生“死锁”或“饥饿” 方便（convenience）：用户界面,编程接口
最短运行时间进程优先策略
FCFS策略中，因为是严格按照先到先服务的策略，有运行时间很短的进程可能会等待运行时间长的进程结束后才能得到运行机会。 是非抢占式策略。具有最短执行时间的进程被选为下一个运行的进程。 在“就绪队列”中，最短运行时间的进程将跳到队列队首。
最短剩余运行时间进程优先策略
按照最短剩余运行时间的策略进行下一个被运行的进程的选择依据。 抢占式。 方法同SPN。
调度策略决策模式
非抢占式（Non-preemptive）
一旦某个进程处在运行状态，这个进程将持续运行直至该线程因为等待I/O准备好或需要对操作系统请求其它服务，而不得不中断本身的运行。
多核处理器体系结构分析
多核处理器体系结构分析
Intel双核的核心技术
Homogeneous Multi-core
Each with its own execution
resources
Each with its own L1 cache
32K instruction and 32K data 8-way set associative; 64-byte
但近年来，通过这些技术并未获得更好的性能 能量和存储延时问题，已经成为提高单线程性能的障
碍
一些高频率芯片方案已被取消
多核处理器体系结构分析
能耗问题
能量消耗大约与主频成立方关系
P ~ c * f 3
处理器能量的消耗已经到了现有技术的极 限
对于有足够多线程的应用
加倍并发线程的数目，能量消耗*2 减半线程的工作频率，能量消耗/8 故获得同等性能，能量仅为原来的1/4
A Heterogeneous Multi-core Architecture
* Cell Broadband Engine is a trademark of Sony Computer Entertainment, Inc.
多核处理器体系结构分析
Cell处理器的主要特征
Cell是以 IBM 所研发的 64 位元 Power 微处 理器为核心，结合8个独立的浮点数运算单 元所构成的非对称多核心处理器。
AMD公司的多核心处理器 Intel公司的多核心处理器 IBM公司的多核心处理器 SUN/HP公司的多核心处理器
多核处理器体系结构分析
Roadmap of Intel Processors
ENERGY-EFFICIENT PERFORMANCE
10’s to 100’s of cores
Intel双核的核心技术
Homogeneous Multi-core
Each with its own execution
resources
Each with its own L1 cache
32K instruction and 32K data 8-way set associative; 64-byte
但近年来，通过这些技术并未获得更好的性能 能量和存储延时问题，已经成为提高单线程性能的障
碍
一些高频率芯片方案已被取消
多核处理器体系结构分析
能耗问题
能量消耗大约与主频成立方关系
P ~ c * f 3
处理器能量的消耗已经到了现有技术的极 限
对于有足够多线程的应用
加倍并发线程的数目，能量消耗*2 减半线程的工作频率，能量消耗/8 故获得同等性能，能量仅为原来的1/4
A Heterogeneous Multi-core Architecture
* Cell Broadband Engine is a trademark of Sony Computer Entertainment, Inc.
多核处理器体系结构分析
Cell处理器的主要特征
Cell是以 IBM 所研发的 64 位元 Power 微处 理器为核心，结合8个独立的浮点数运算单 元所构成的非对称多核心处理器。
AMD公司的多核心处理器 Intel公司的多核心处理器 IBM公司的多核心处理器 SUN/HP公司的多核心处理器
多核处理器体系结构分析
Roadmap of Intel Processors
ENERGY-EFFICIENT PERFORMANCE
10’s to 100’s of cores
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散热等诸多难题
2. 摩尔定律的指引： 初期的几十MHz到近几年IBM的Power 6达到了 4.75GHz；
2002年以来，CPU主频提升的困难越来越大；
从2006年开始，Intel和AMD都推出了多款面向服
务器、工作站的多核处理器。
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10.1 多核系统结构的需求
10.1.1 功耗与散热问题
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10.2 多核系统结构
10.2.1 多核的组织架构
1. 多核处理器的组织架构主要包括：片上核心处理器的 个数、多少级Cache、共享Cache的容量和内部互连结 构等。 2. 多核系统的4种典型的组织结构： 专用L1 Cache多核系统结构
专用L2 Cache多核系统结构
共享L2 Cache多核系统结构 共享L3 Cache多核系统结构
流水线技术、超标量技术、同时多线程技术等 流水段越多，逻辑电路、互连结构以及控制信号就越 复杂； 超标量组织也是通过增加并行流水线的个数来提高性 能，需要更复杂的逻辑管理冲突和调度指令使用资源； SMT技术中的线程在一组流水线上调度的复杂度也往 往会限制线程的个数和可有效利用的流水线的个数， 性能的改进也是有限的。
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10.2 多核系统结构
ARM多核系统结构
ARM11 MPCore是基于ARM11处理器系列的多核产品，最多 可配置4个处理器，每个处理器带有私有的L1指令Cache 和L1数据Cache。
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10.3 基于多核的并行程序设计
1. 多核给我们提供了更经济的计算能力。但是，这种能 力能否善加利用，还要取决于软件。
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10.3 基于多核的并行程序设计
10.3.3 并行算法
并行算法是给定并行模型的一种具体、明确的解决方法和 步骤。 1. 根据运算的基本对象的不同：
数值并行算法（数值计算） 非数值并行算法（符号计算）
2. 根据进程之间的依赖关系
同步并行算法（步调一致） 异步并行算法（步调、进展互不相同） 纯并行算法（各部分之间没有关系）
高
多个 分布式或共享内存
通信的实现
问题类 目前状况
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编译器负责
数据并行类问题 缺乏高效的编译器支持
程序员负责
数据并行任务并行 使用广泛
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10.3 基于多核的并行程序设计
10.3.2 并行语言
并行程序是通过并行语言来表达的，并行语言的产生主要 有三种方式：
设计全新的并行语言； 扩展原来的串行语言的语法成分使它支持并行特征； 不改变串行语言仅为串行语言提供可调用的并行库。
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10.2 多核系统结构
1. 多核技术是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的 计算内核，从而提高计算能力的技术。 2. 按计算内核的对等与否，多核系统结构又可以分为同 构多核结构和异构多核结构两种。
计算内核相同，地位对等的称为同构多核，反之
称为异构多核。
需要注意的是，多核系统结构与多处理器不同，多处 理器指多个CPU，每个CPU可以是单核或多核的。
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10.3 基于多核的并行程序设计
10.3.3 并行算法
3. 根据并行计算任务的大小：
粗粒度并行算法（包含较长程序段和较大计算量）
细粒度并行算法（包含较短程序段和较小计算量） 介于二者之间的中粒度并行算法
从本质上说，不同的并行算法是根据问题类别的不同和 并行机体系结构的特点产生出来的，一个好的并行算法 要既能很好地匹配并行计算机硬件体系结构的特点，又 能反映问题内在并行性。
第10章 多核系统结构与编程 张晨曦 刘依
微信公众号： arch365
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10.1 多核系统结构的需求
10.2 多核系统结构
10.3 基于多核的并行程序设计 10.4 多核编程实例
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10.1 多核系统结构的需求
多核技术的好处
1. 显著提升系统的计算能力，同时每个内核的主频可以 比以前低系统的总体功耗增加不大 2. 多核处理器采用了与单CPU相同的硬件体系结构，用 户在提升计算能力的同时无需进行任何硬件上的改变。
共享片内L2 Cache可以减少整个系统的不命中概率； 多个核所共享的数据在共享Cache级上不需要复制； 局部线程能使用更多的Cache空间； 通过共享Cache能很容易地实现计算内核间的通信；
使用共享的L2 Cache将一致性问题限制在L1 Cache
层次上，具有性能上的优点。
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2. 缺点：
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10.1 多核系统结构的需求
10.1.3应用软件的问题
1. 目前的绝大部分应用软件，特别是互联网应用软件都 是面向多用户的多线程软件.
2. 现在的数据库管理软件、数据库应用等服务器软件， 一般要并行处理大量的、相对独立的事务。 多线程的本地应用、多进程应用 Java应用、多实例应用
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10.2 多核系统结构
（A）专用L1 Cache多核系统结构 早期多核处理器的一 种组织架构，现在在 嵌入式芯片中仍能见 到。在这种组织方式 中，只有一级片内 Cache，每个核带有 自己的专用L1 Cache， 分成指令Cache和数 据Cache。这种组织 的一个典型实例是 ARM11 MPCore。
内存多处理系统和多核处理器体系结构。
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10.3 基于多核的并行程序设计
10.3.1 并行编程模型
数据并行和消息传递编程模式的对比对比内容编程级别 适用 Nhomakorabea并行机类型
数据并行
高 SIMD/SPMD
消息传递
低 SIMD/MIMD/SPMD/MPMD
执行效率
地址空间 存储类型
效率依赖于编译器
单一 共享内存
CPU内核1 L1指令 Cache L1数据 Cache
……
CPU内核m L1指令 Cache L1数据 Cache
L2 Cache
L2 Cache
主存
I/O
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10.2 多核系统结构
（C）共享L2 Cache多核系统结构 共享L2 Cache多核系 统结构采用了和专用 L2 Cache多核结构类 似的存储空间分配， 不同的是该处理器架 构拥有共享L2 Cache， Intel的Core Duo处 理器就是这种结构。
3. 控制芯片密度也是一种有效的降低功耗的方法： 为了降低系统功耗，Cache占整个芯片面积的百分 比比重越来越大。
随着芯片 内晶体管 密度的增 加，其面 积逐渐超 过了50%
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10.1 多核系统结构的需求
10.1.2 并行度问题
1. 处理器设计中，组织的变化主要集中在增加指令级级 并行度上：
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10.4 多核编程实例
程序开发人员开发实际的并行程序主要方法是串行语言 加并行库的扩展，其中比较典型的方法有两种：
共享存储的方法主要是采用多线程的方式，其主
要程序开发环境就是已经成为事实工业标准的 OpenMP，目前主要是商业编译器提供对该语言的 支持；
消息传递开发则包括MPI和PVM等开源开发环境。
现在，90%以上的个人计算机其处理器都是多核的。 从2006年以来，在Intel和AMD两大处理器巨头的大力 推动下，多核的普及已成为必然。
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10.1 多核系统结构的需求
10.1.1 功耗与散热问题
1. 随着芯片密度和时钟频率的不断提高，系统的功耗却 呈现出指数性增长的趋势： 增加用户的使用成本
2. 如果不针对多核进行软件开发，不仅多核提供的强大 计算能力得不到利用，相反还有可能不如单核CPU好。 3. 针对多核和多线程的软件开发将是未来十年软件开发 的主要挑战，即基于多核的并行程序设计：
多核处理器的基本目的是通过多个任务的并行执行提高应用 程序的性能；
尽量分解成多个独立任务，每个任务实现为一个线程，从而 将多个任务分布到多个计算核上执行，减少程序的执行时间。
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10.2 多核系统结构
Intel x86多核系统结构 - Intel Core i7
1. i7是Intel于2008年11月推出的，实现了4个x86 SMT 计算核，每个计算核带一个专用的L2 Cache、一个共 享的L3 Cache。 2. 在Core i7中，每个核拥有自己的专用L2 Cache，4个 核共享一个8MB的L3 Cache。
3. 超线程（Hyper Threading）和SMT技术只能在一定程 度上支持多线程或多实例应用， 本质上还只是在一 个执行核上运行。当线程个数较多时，就需要多核架 构或并行处理机这样的处理系统了。
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10.1 多核系统结构的需求
10.1 多核系统结构的需求（总结）
1. 受CPU主频、功耗、散热和超标量等技术复杂度的限 制，以及多线程应用软件需求的驱动，微处理器架构 发展到多核成为一种必然的趋势. 2. 多核架构也是摩尔定律驱动的结果，出现多核处理器 最根本的原因是人们对计算能力永无止境的追求。 3. 尽管这些年来，处理器从来没有停止过前进的脚步， 但每一次性能的突破，换来的只是对更高性能的需求， 特别是在油气勘探、气象预报、虚拟现实、人工智能 等高度依赖于计算能力的场合，对性能的渴求更迫切。
本小结重点介绍基于OpenMP的多核编程环境。
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10.4 多核编程实例
1. OpenMP（Open Multi-Processing）是一套支持跨平 台共享内存方式的多线程并发的编程API，使用C， C++和Fortran语言，可以在大多数的处理器体系和操 作系统中运行。
2. 摩尔定律的指引： 初期的几十MHz到近几年IBM的Power 6达到了 4.75GHz；
2002年以来，CPU主频提升的困难越来越大；
从2006年开始，Intel和AMD都推出了多款面向服
务器、工作站的多核处理器。
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10.1 多核系统结构的需求
10.1.1 功耗与散热问题
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10.2 多核系统结构
10.2.1 多核的组织架构
1. 多核处理器的组织架构主要包括：片上核心处理器的 个数、多少级Cache、共享Cache的容量和内部互连结 构等。 2. 多核系统的4种典型的组织结构： 专用L1 Cache多核系统结构
专用L2 Cache多核系统结构
共享L2 Cache多核系统结构 共享L3 Cache多核系统结构
流水线技术、超标量技术、同时多线程技术等 流水段越多，逻辑电路、互连结构以及控制信号就越 复杂； 超标量组织也是通过增加并行流水线的个数来提高性 能，需要更复杂的逻辑管理冲突和调度指令使用资源； SMT技术中的线程在一组流水线上调度的复杂度也往 往会限制线程的个数和可有效利用的流水线的个数， 性能的改进也是有限的。
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10.2 多核系统结构
ARM多核系统结构
ARM11 MPCore是基于ARM11处理器系列的多核产品，最多 可配置4个处理器，每个处理器带有私有的L1指令Cache 和L1数据Cache。
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10.3 基于多核的并行程序设计
1. 多核给我们提供了更经济的计算能力。但是，这种能 力能否善加利用，还要取决于软件。
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10.3 基于多核的并行程序设计
10.3.3 并行算法
并行算法是给定并行模型的一种具体、明确的解决方法和 步骤。 1. 根据运算的基本对象的不同：
数值并行算法（数值计算） 非数值并行算法（符号计算）
2. 根据进程之间的依赖关系
同步并行算法（步调一致） 异步并行算法（步调、进展互不相同） 纯并行算法（各部分之间没有关系）
高
多个 分布式或共享内存
通信的实现
问题类 目前状况
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编译器负责
数据并行类问题 缺乏高效的编译器支持
程序员负责
数据并行任务并行 使用广泛
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10.3 基于多核的并行程序设计
10.3.2 并行语言
并行程序是通过并行语言来表达的，并行语言的产生主要 有三种方式：
设计全新的并行语言； 扩展原来的串行语言的语法成分使它支持并行特征； 不改变串行语言仅为串行语言提供可调用的并行库。
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10.2 多核系统结构
1. 多核技术是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的 计算内核，从而提高计算能力的技术。 2. 按计算内核的对等与否，多核系统结构又可以分为同 构多核结构和异构多核结构两种。
计算内核相同，地位对等的称为同构多核，反之
称为异构多核。
需要注意的是，多核系统结构与多处理器不同，多处 理器指多个CPU，每个CPU可以是单核或多核的。
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10.3 基于多核的并行程序设计
10.3.3 并行算法
3. 根据并行计算任务的大小：
粗粒度并行算法（包含较长程序段和较大计算量）
细粒度并行算法（包含较短程序段和较小计算量） 介于二者之间的中粒度并行算法
从本质上说，不同的并行算法是根据问题类别的不同和 并行机体系结构的特点产生出来的，一个好的并行算法 要既能很好地匹配并行计算机硬件体系结构的特点，又 能反映问题内在并行性。
第10章 多核系统结构与编程 张晨曦 刘依
微信公众号： arch365
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10.1 多核系统结构的需求
10.2 多核系统结构
10.3 基于多核的并行程序设计 10.4 多核编程实例
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10.1 多核系统结构的需求
多核技术的好处
1. 显著提升系统的计算能力，同时每个内核的主频可以 比以前低系统的总体功耗增加不大 2. 多核处理器采用了与单CPU相同的硬件体系结构，用 户在提升计算能力的同时无需进行任何硬件上的改变。
共享片内L2 Cache可以减少整个系统的不命中概率； 多个核所共享的数据在共享Cache级上不需要复制； 局部线程能使用更多的Cache空间； 通过共享Cache能很容易地实现计算内核间的通信；
使用共享的L2 Cache将一致性问题限制在L1 Cache
层次上，具有性能上的优点。
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2. 缺点：
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10.1 多核系统结构的需求
10.1.3应用软件的问题
1. 目前的绝大部分应用软件，特别是互联网应用软件都 是面向多用户的多线程软件.
2. 现在的数据库管理软件、数据库应用等服务器软件， 一般要并行处理大量的、相对独立的事务。 多线程的本地应用、多进程应用 Java应用、多实例应用
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10.2 多核系统结构
（A）专用L1 Cache多核系统结构 早期多核处理器的一 种组织架构，现在在 嵌入式芯片中仍能见 到。在这种组织方式 中，只有一级片内 Cache，每个核带有 自己的专用L1 Cache， 分成指令Cache和数 据Cache。这种组织 的一个典型实例是 ARM11 MPCore。
内存多处理系统和多核处理器体系结构。
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10.3 基于多核的并行程序设计
10.3.1 并行编程模型
数据并行和消息传递编程模式的对比对比内容编程级别 适用 Nhomakorabea并行机类型
数据并行
高 SIMD/SPMD
消息传递
低 SIMD/MIMD/SPMD/MPMD
执行效率
地址空间 存储类型
效率依赖于编译器
单一 共享内存
CPU内核1 L1指令 Cache L1数据 Cache
……
CPU内核m L1指令 Cache L1数据 Cache
L2 Cache
L2 Cache
主存
I/O
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10.2 多核系统结构
（C）共享L2 Cache多核系统结构 共享L2 Cache多核系 统结构采用了和专用 L2 Cache多核结构类 似的存储空间分配， 不同的是该处理器架 构拥有共享L2 Cache， Intel的Core Duo处 理器就是这种结构。
3. 控制芯片密度也是一种有效的降低功耗的方法： 为了降低系统功耗，Cache占整个芯片面积的百分 比比重越来越大。
随着芯片 内晶体管 密度的增 加，其面 积逐渐超 过了50%
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10.1 多核系统结构的需求
10.1.2 并行度问题
1. 处理器设计中，组织的变化主要集中在增加指令级级 并行度上：
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10.4 多核编程实例
程序开发人员开发实际的并行程序主要方法是串行语言 加并行库的扩展，其中比较典型的方法有两种：
共享存储的方法主要是采用多线程的方式，其主
要程序开发环境就是已经成为事实工业标准的 OpenMP，目前主要是商业编译器提供对该语言的 支持；
消息传递开发则包括MPI和PVM等开源开发环境。
现在，90%以上的个人计算机其处理器都是多核的。 从2006年以来，在Intel和AMD两大处理器巨头的大力 推动下，多核的普及已成为必然。
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10.1 多核系统结构的需求
10.1.1 功耗与散热问题
1. 随着芯片密度和时钟频率的不断提高，系统的功耗却 呈现出指数性增长的趋势： 增加用户的使用成本
2. 如果不针对多核进行软件开发，不仅多核提供的强大 计算能力得不到利用，相反还有可能不如单核CPU好。 3. 针对多核和多线程的软件开发将是未来十年软件开发 的主要挑战，即基于多核的并行程序设计：
多核处理器的基本目的是通过多个任务的并行执行提高应用 程序的性能；
尽量分解成多个独立任务，每个任务实现为一个线程，从而 将多个任务分布到多个计算核上执行，减少程序的执行时间。
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10.2 多核系统结构
Intel x86多核系统结构 - Intel Core i7
1. i7是Intel于2008年11月推出的，实现了4个x86 SMT 计算核，每个计算核带一个专用的L2 Cache、一个共 享的L3 Cache。 2. 在Core i7中，每个核拥有自己的专用L2 Cache，4个 核共享一个8MB的L3 Cache。
3. 超线程（Hyper Threading）和SMT技术只能在一定程 度上支持多线程或多实例应用， 本质上还只是在一 个执行核上运行。当线程个数较多时，就需要多核架 构或并行处理机这样的处理系统了。
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10.1 多核系统结构的需求
10.1 多核系统结构的需求（总结）
1. 受CPU主频、功耗、散热和超标量等技术复杂度的限 制，以及多线程应用软件需求的驱动，微处理器架构 发展到多核成为一种必然的趋势. 2. 多核架构也是摩尔定律驱动的结果，出现多核处理器 最根本的原因是人们对计算能力永无止境的追求。 3. 尽管这些年来，处理器从来没有停止过前进的脚步， 但每一次性能的突破，换来的只是对更高性能的需求， 特别是在油气勘探、气象预报、虚拟现实、人工智能 等高度依赖于计算能力的场合，对性能的渴求更迫切。
本小结重点介绍基于OpenMP的多核编程环境。
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10.4 多核编程实例
1. OpenMP（Open Multi-Processing）是一套支持跨平 台共享内存方式的多线程并发的编程API，使用C， C++和Fortran语言，可以在大多数的处理器体系和操 作系统中运行。