多核處理器設(shè)計(jì)九大要素過(guò)程的分析[2]

  2 程序執(zhí)行模型

  多核處理器設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題是選擇程序執(zhí)行模型。程序執(zhí)行模型的適用性決定多核處理器能否以最低的代價(jià)提供較高的性能。程序執(zhí)行模型是編譯器設(shè)計(jì)人員與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人員之間的接口。編譯器設(shè)計(jì)人員決定如何將一種高級(jí)語(yǔ)言程序按一種程序執(zhí)行模型轉(zhuǎn)換成一種目標(biāo)機(jī)器語(yǔ)言程序； 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人員則決定該程序執(zhí)行模型在具體目標(biāo)機(jī)器上的有效實(shí)現(xiàn)。當(dāng)目標(biāo)機(jī)器是多核體系結(jié)構(gòu)時(shí)，產(chǎn)生的問(wèn)題是： 多核體系結(jié)構(gòu)如何支持重要的程序執(zhí)行模型？是否有其他的程序執(zhí)行模型更適于多核的體系結(jié)構(gòu)？這些程序執(zhí)行模型能多大程度上滿足應(yīng)用的需要并為用戶所接受？

  3 Cache設(shè)計(jì)： 多級(jí)Cache設(shè)計(jì)與一致性問(wèn)題

  處理器和主存間的速度差距對(duì)CMP來(lái)說(shuō)是個(gè)突出的矛盾，因此必須使用多級(jí)Cache來(lái)緩解。目前有共享一級(jí)Cache的CMP、共享二級(jí)Cache的CMP以及共享主存的CMP。通常，CMP采用共享二級(jí)Cache的CMP結(jié)構(gòu)，即每個(gè)處理器核心擁有私有的一級(jí)Cache，且所有處理器核心共享二級(jí)Cache。

  Cache自身的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也直接關(guān)系到系統(tǒng)整體性能。但是在CMP結(jié)構(gòu)中，共享Cache或獨(dú)有Cache孰優(yōu)孰劣、需不需要在一塊芯片上建立多級(jí)Cache，以及建立幾級(jí)Cache等等，由于對(duì)整個(gè)芯片的尺寸、功耗、布局、性能以及運(yùn)行效率等都有很大的影響，因而這些都是需要認(rèn)真研究和探討的問(wèn)題。

  另一方面，多級(jí)Cache又引發(fā)一致性問(wèn)題。采用何種Cache一致性模型和機(jī)制都將對(duì)CMP整體性能產(chǎn)生重要影響。在傳統(tǒng)多處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中廣泛采用的Cache一致性模型有： 順序一致性模型、弱一致性模型、釋放一致性模型等。與之相關(guān)的Cache一致性機(jī)制主要有總線的偵聽(tīng)協(xié)議和基于目錄的目錄協(xié)議。目前的CMP系統(tǒng)大多采用基于總線的偵聽(tīng)協(xié)議。

  4 核間通信技術(shù)

  CMP處理器的各CPU核心執(zhí)行的程序之間有時(shí)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)共享與同步，因此其硬件結(jié)構(gòu)必須支持核間通信。高效的通信機(jī)制是CMP處理器高性能的重要保障，目前比較主流的片上高效通信機(jī)制有兩種，一種是基于總線共享的Cache結(jié)構(gòu)，一種是基于片上的互連結(jié)構(gòu)。

  總線共享Cache結(jié)構(gòu)是指每個(gè)CPU內(nèi)核擁有共享的二級(jí)或三級(jí)Cache，用于保存比較常用的數(shù)據(jù)，并通過(guò)連接核心的總線進(jìn)行通信。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通信速度高，缺點(diǎn)是基于總線的結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性較差。

  基于片上互連的結(jié)構(gòu)是指每個(gè)CPU核心具有獨(dú)立的處理單元和Cache，各個(gè)CPU核心通過(guò)交叉開關(guān)或片上網(wǎng)絡(luò)等方式連接在一起。各個(gè)CPU核心間通過(guò)消息通信。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可擴(kuò)展性好，數(shù)據(jù)帶寬有保證； 缺點(diǎn)是硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且軟件改動(dòng)較大。

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