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(多图) 嵌入式ARM多核处理器并行化方法

杨川?? 杨斌?? 西南交通大学信息科学与技术学院?? 2014年11月18日 ?? 收藏2
目前,嵌入式多核处理器已经在嵌入式设备领域得到广泛运用,但嵌人式系统软件开发技术还停留在传统单核模式,并没有充分发挥多核处理器的性能。程序并行化优化目前在PC平台上有一定运用,但在嵌入式平台上还很少,另外,嵌入式多核处理器与PC平台多核处理器有很大不同,因此不能直接将PC平台的并行化优化方法应用到嵌人式平台。本文分别从任务并行和缓存优化两方面进行并行化优化的研究,探索在嵌人式多核处理器上对程序进行并行化优化的方法。

1 嵌入式多核处理器结构

嵌人式多核处理器的结构包括同构(Symmetric)和异构(Asymmetric)两种。同构是指内部核的结构是相同的,这种结构目前广泛应用在PC多核处理器;而异构是指内部核的结构是不同的,这种结构常常在嵌入式领域使用,常见的是通用嵌入式处理器+DSP核。本文探究的嵌入式多核处理器采用同构结构,实现同一段代码在不同处理器上的并行执行。

图1 ARM SMP处理器结构
图1 ARM SMP处理器结构

在目前嵌入式领域中,使用最为广泛的为ARM 处理器,因此以ARM 双核处理器OMAP4430作为研究对象。ARM 对称多处理(Symmetric Multi—Processing,SMP)结构如图1所示,根据程序的局部性原理,每一个处理器都具有私有的内存(Local Memory),常见的是一级缓存(L1Cache)。然而,多个处理器之间又涉及到相互通信问题,因此在常见的ARM 处理器中使用二级缓存(L2 Cache)来解决这一问题。基于对称多处理器结构,所有的处理器(通常为2的倍数)在硬件结构上都是相同的,在使用系统资源上也是平等的。更重要的是,由于所有的处理器都有权利去访问相同的内存空间,在共享内存区域中,任何一个进程或者线程都可以运行在任意一个处理器之上,这样就使得程序的并行化成为可能。2在嵌入式多核平台上进行并行化优化,需要考虑以下问题:

① 并行化程序的性能取决于程序中串行化部分,程序性能不会随着并行线程数目的提升而不断提升;

② 嵌入式多核处理器相对于PC处理器而言,其总线速度较慢,并且缓存(Cache)更小,会造成大量数据在内存(Memory)和缓存(Cache)问不断拷贝,因此在进行并行化优化的过程中,应考虑缓存友好性(Cache friendly);

③ 程序并行化执行线程数目应当小于或等于物理处理器的数目,线程过多会造成线程间抢占处理器资源,致使并行化性能下降。

2 OpenMP并行化优化

2.1 0penMP工作原理简介

OpenMP是一个基于共享内存模式的跨平台多线程并行的编程接口。主线程生成一系列的子线程,并将任务映射到子线程进行执行,这些子线程并行执行,由运行时环境将线程分配给不同的物理处理器。默认情况下,各个线程独立执行并行区域的代码。可以使用work-sharingconstructs来划分任务,使每个线程执行其分配部分的代码。通过这种方式,使用OpenMP可以实现任务并行和数据并行。

图2 任务并行模型
图2 任务并行模型

任务并行模式创建一系列独立的线程,每一个线程运行一个任务,线程之间相互独立,如图2所示。OpenMP使用编译原语session directive和task directive来实现任务分配,每个线程可以独立运行不同的代码区域,同时支持任务的嵌套和递归。一旦创建任务,该任务就可能会在线程池(其大小等于物理线程数目)中空闲的线程上执行。

数据并行也就是数据级并行,对任务中处理的数据进行分块并行执行,如图3所示。C语言中的for循环最适合使用数据并行。

图3 数据并行模型
图3 数据并行模型


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嵌入式多核处理器? 并行化? 对称多处理?

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