[文学研究]多核软件开发技术第一讲：多核技术导

寄存器
寄存器
操栈 作系统对多核栈处理器的支持方栈法
线程
代码
数据
文件
系统调度
目寄 前存 还器 没有明确的标寄准存与器规范 ，研究热寄点存：器
• 程序的并行研究
栈
栈
栈
• 多进程的时间相关性研究
• 任务的分配与调度
• 缓存的错误共享
• 一致性访问研究
• 进程间通信
线程
• 多处理器核内部资源竞争等
代码
数据
• 第三代处理器
– Intel公司的8086、8088、80286 – Zilog公司的Z8000 – 摩托罗拉公司的68000
寄存器 栈
线程
代码
数据
文件
32位微处理器
•寄 1存985器年10月17日，寄英存特器尔80386 DX正寄式存发布器
• 1989年，英特尔推出80486芯片
栈
栈
栈
• 1993年，586 CPU问世 ：Pentium（奔腾）
代码 寄存器
栈
数据
文件
多核软件开发技术
寄存器
寄存器
第一讲：多栈 核技术导论
栈
北京大学
二零零八年春季
线程
*致谢：感谢Intel对本课程项目的资助
代码
数据
文件
本讲主要内容
•寄 微存 处器 理器发展史 寄 存 器
• 并行计算机
栈
栈
• 超大规模集成电路与系统芯片发展
• 片上多核处理器架构
• 芯片组对多核的支持
Boot D isp atch er
O S -P re s e n t App
B oot S erv ices R untim e S erv ices
security
Final O S Boot Loader
Final O S E nv iro nm e nt
?
S ecurity P re E F I (S E C ) In itia liza tion
线互相之间通信
• APIC基本功能 ：
– 减缓与中断相关的内存总线传输压力
– 帮助核之间更好的处理来自别的核的中断
E nv iro nm e nt (P E I)
D riv er E xecutio n E nv iro nm e nt
(D X E )
Boot D ev ice S elec tion (B D S )
T ransient
R un T im e
S ys图te表m 1L-o4aFdramework结(R构T图)
(T S L )
P ow er on [ . . P latfo rm in itia lization . . ]
[ . . . . OS boot Baidu Nhomakorabea . . . ]
After Life (A L )
Shutdow n
Framework
文件
寄存器 栈
结 构线 程 图
代码
数据
Tiano
•寄 E存FI器的一个具体实现寄 存 器
文件
有代表性的多核调度算法
•寄 对存任器务的分配进行寄优存化器
• 对任务的共享数据优化
栈
栈
• 对任务的负载均衡优化
寄存器 栈
线程
代码
数据
文件
输入输出系统
•寄 高存级器编程中断控制器寄（A存PI器C） ：
寄存器
– 基于中断控制器分散在两个基础功能单元——本地单元和
栈I/O单元的分布式体系结构栈
栈
– 本地各I/O单元能够通过一个叫中断控制通信（ICC）的总
代码
数据
文件
IP核
•寄 I存P核器 （IP，Intelle寄ctu存al器Property，知寄识存产权器 ）
– 是具有复杂系统功能的能够独立出售的VLSI块
栈
栈
栈
• SoC一般由可设计重用的IP核组成
– 其IP核应采用深亚微米以上工艺技术
线程
代码
数据
文件
SoC的一般构成
•寄 逻存辑器核：
寄存器
• 操作系统对多核处理器的支持方法
寄存器 栈
线程
代码 寄存器
栈
数据
文件
寄存器
微处理栈器发展史
寄存器 栈
线程
代码
数据
文件
计算机与微处理器
•寄 1存945器年，美国研制寄世存界器上第一台数字寄计算存 机器
• 第一代（1946~1958）：电子管数字计算机
栈
栈
栈
• 第二代（1958~1964）：晶体管数字计算机
Exposed API
O S -A b s e n t App
寄存
T ransient O S E nv iro nm e nt
Prev iously
器e x p o s e d
T iano APIs now lim ited
T ransient O S栈
Boot Loader
DXE D isp atch er
栈
栈
– 提供对CPU的类型和主频、内存的类型和最大容 量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC纠错等支持
• 南桥芯片：
– 提 控供 制对 器K）B、CU（S键B（盘通控用制串器行）总、线RT）C、（U实lt时ra时钟线 程 DMA/33(66)EIDE数据传输方式和ACPI（高级 能源管理）等的支持
代码
寄存器
– 含有多个同样结构的处理单元（PE）
–栈通过寻径网络以一定方式栈互相连接
栈
– 在阵列控制部件的统一指挥下，实现并行操作
• 向量超级计算机（共享式存储器SIMD）
– 共享的多个并行存储器通过对准网络与各处理单元PE相连
• 对称多处理器（SMP）
– 在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
•寄 采存用器内部讯号的传寄输存，器降低耗电量 寄 存 器
• 系统整合在一块芯片上，减少体积和重量
栈
栈
栈
• 在相同面积上整合更多的功能元件和组件，
丰富系统功能
• 芯片内部信号传递的距离缩短，速度提高
• IP模块的出现可以减少研发成本，降低研发
时间，可适度节省成本
线程
代码
数据
文件
寄存器
寄存器
寄存器
栈
•寄 系存统器硬件和操作系寄统存之器间的抽象层 寄 存 器
• 启动操作系统并提供对系统设备底层的通讯
栈
栈
栈
• 通常由两部分组成：
– 上电自举即POST（Power On Self Test）
– 在线的中断服务（主要由legacy 操作系统使用）
线程
代码
数据
文件
EFI（Extensible Firmware Interface）
栈
栈
栈
• 以更快的速度共同完成一项大规模计算任务
线程
代码
数据
文件
并行计算机的分类 ：Flynn分类法
根寄 据存 指器 令流和数据流寄的存不器同组织方式 寄 存 器
• 单指令流单数据流（Single Instruction stream
S栈ingle Data stream, S栈ISD）
栈
• 单指令流多数据流（Single Instruction stream Multiple Data stream, SIMD）
• 2002年，新款Intel Pentium 4处理器内含超线 程技术
• 2005年4月18日，英特尔首发基于双核技术桌
面产品英特尔奔腾D处理器
线程
代码 寄存器
栈
数据 寄存器
并行栈计算机
文件 寄存器
栈
线程
代码
数据
文件
并行计算机
•寄 由存一器组处理单元组寄成存 器
寄存器
• 各处理单元之间相互通信与协作
数据
文件
固件
•寄 固存件器是一种嵌入到寄硬存件器设备中的软件寄 存 器
• 通栈常烧写在flash等擦栈写可编程芯片中操作系栈统和应用软件 • 其上的程序可以通过专门外部硬件进行修改
• 不能被一般的应用程序改动
内核
• 传统的固件就是BIOS
汇编器
固件线 程
硬件
代码
数据
文件
BIOS（Basic Input/Output System ）
•寄 新存一器代固件技术 寄 存 器
寄存器
• 在操作系统与平台固件之间的软件接口
栈
栈
栈
• EFI规范定义的接口包括：
– 包含平台信息的数据表
– 启动时及启动后的服务 ，例如时间，日期等
• Tiano是EFI的一个具体实现，完全符合EFI规
范
线程
代码
数据
Framework
•寄 是存一器种固件的架构寄 存 器
• 多指令流单数据流（Multiple Instruction
stream Single Data stream, MISD）
线程
• 多指令流多数据流（Multiple Instruction stream Multiple Data stream, MISD）
代码
数据
文件
超级计算机
•寄 分存布器式存储器的SIMD寄处存理机器
• AMD在2005年4月推出了它的双核处理器 Opteron V的双内核处理器
线程
• 2006年11月，英特尔抢先推出了四核产品
代码
数据
文件
片上多核处理器体系结构
•寄 片存上器多核处理器（寄CM存 P器）：
寄存器
– 将多个计算内核集成在一个处理器芯片中
栈
栈
栈
• CMP可分为同构多核和异构多核
– 计算内核相同，地位对等的称为同构多核 – 计算内核不同，地位不对等的称为异构多核 – 异构多核多采用“主处理核+协处理核”的设计线 程
• 第三代（1964~1971）：集成电路数字计算机
• 第四代(1971年以后）：大规模集成电路数字 计算机
线程
代码
数据
文件
4位、8位与16位微处理器
•寄 第存一器代处理器：4位 寄 存 器
– 1971年，英特尔推出微处理器4004 –栈世界上第一款微处理器 栈
• 第二代处理器：
– Intel公司的8080、8085 – Zilog公司的Z80 – 摩托罗拉公司的6800
• 完全符合EFI规范
栈
栈
• 支持所有的Intel体系结构系列
• Tiano按阶段来初始化平台
文件 寄存器
栈
线程
代码
代码
寄存器
寄存器
栈
数据
数据
寄存器
栈
文件
文件
寄存器
栈
栈
线程
线程
Tiano 固件阶段
代码
数据
文件
EFI对多核支持
F寄ra存me器work在多核计算寄机中存 初器始化过程如下 寄 存 器
• 是EFI固件接口的一种实现
栈
栈
• 用来完全替代传统的BIOS
• 是层次化和模块化的
• 由C语言来实现
文件 寄存器
栈
线程
代码
数据
P re V erifie r
寄 C存P U 器
In it
v e r if y
C h ip s e t In it
B o栈ard
In it
D ev ice, Bus, or S erv ice D riv er
• SEC：
–栈从实模式切换到保护模式栈，处理不同的重启事件、对栈每个处 理器进行缓存设置
• PEI：
– 做少量的硬件初始化
• DXE：
– 对作所系有统可提用供的必硬要件的设服备务进行初始化，为建立控制台和启动线 操程
• BDS：
– 建立所需的控制台设备，并在输出控制台上显示用户界面
代码
数据
文件
寄存器
代码
数据
文件
寄存器 栈
寄存器
寄存器
典型多核栈芯片架构 栈
线程
代码 寄存器
栈
数据 寄存器
栈
文件 寄存器
栈
线程
代码
数据
文件
寄存器
寄存器
寄存器
栈
芯片组对栈多核的支持 栈
线程
代码
数据
文件
南、北桥芯片
寄 存按器照在主板上的排寄 列存 位器 置的不同，芯寄 片存组器通
常分为北桥芯片和南桥芯片
• 栈北桥芯片：
线程
– 工作负载能够均匀地分配到所有可用处理器之上
代码
数据
文件
超级计算机
•寄 并存行器向量处理机（寄PV存P）器
寄存器
– 通过向量处理和多个向量处理器并行处理两条途
栈径来提高处理能力 栈
栈
– 使用定制的高带宽网络将向量处理器连向共享存 储器模块
• 集群计算机
– 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
寄存器
– 包括CPU、时钟电路、定时器、中断控制器、串 栈并行接口、其它外围设栈 备、I／O端口以及用栈于各
种IP核之间的粘合逻辑等等
• 存储器核：
– 包括各种易失、非易失以及Cache等存储器；
• 模拟核：
– 包括ADc、DAc、PLL以及一些高速电路中所用线的程 模拟电路
代码
数据
文件
SoC的优点
片上多核栈处理器架构 栈
线程
代码
数据
文件
多核芯片
•寄 I存BM器在2001年发布寄双存核R器 ISC处理器P寄OW存 E器R4
– 它将两个64位PowerPC处理器内核集成在同一颗芯片 栈上，成为首款采用多核栈 设计的服务器处理器栈
• HP和Sun也相继在2004年2月和3月发布名为PARISC8800和UltraSPARC IV的双内核处理器
线程
– 像一个单独集成的计算机资源一样协同工作
代码
数据
文件
寄存器
寄存器
寄存器
超栈 大规模集成电栈路与系统芯片发栈展
线程
代码
数据
文件
超大规模集成电路技术
•寄 集存成器电路：
寄存器
寄存器
采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上 栈制作许多晶体管及电阻栈 器、电容器等元器件栈，并
按照多层布线或隧道布线的方法将元器件组合成 完整的电子电路
• 摩尔定律 ：
微芯片上集成的晶体管数目每12个月翻一番 线 程
代码
数据
文件
系统芯片 （SoC）：定义
•寄 狭存义器上：
寄存器
寄存器
指在一个芯片上实现信号采集、转换、存储、处 栈理和I/O 等功能，包含栈嵌入软件及整个系统的栈 全部
内容
• 广义上：
指一种芯片设计技术，可以实现从确定系统功能 开始，到软硬件划分，并完成设计的整个过程 线 程