面向服務的異構多核片上系統(tǒng)的關鍵技術研究及實現(xiàn).pdf

1、隨著半導體制造工藝的發(fā)展，異構多核片上系統(tǒng)可以集成多個具有不同功能的處理器核，并充分利用各處理器核的性能優(yōu)勢對多種特定類型的任務進行加速，能夠同時滿足嵌入式應用在芯片面積、計算性能、功耗等多方面的需求，因而被廣泛應用于嵌入式計算領域。然而，隨著嵌入式應用的日益普及和芯片集成度的不斷提高，異構多核片上系統(tǒng)的設計面臨著越來越嚴峻的挑戰(zhàn)，其中包括:1）如何提高系統(tǒng)硬件平臺的靈活性，以適應經(jīng)常變化的嵌入式應用需求;2）如何提高系統(tǒng)中處理器核的應

2、用效率，以充分利用系統(tǒng)的性能潛力;3）如何為異構多核片上系統(tǒng)建立形式化模型，特別是準確刻畫其復雜的動態(tài)行為特征，以幫助設計人員對系統(tǒng)軟/硬件設計的正確性和性能進行驗證和評估。
　　 本文針對上述問題分別展開研究，所做的主要工作及創(chuàng)新特色包括:
　　 1)通過在系統(tǒng)軟/硬件設計流程、模塊通信接口與并行編程模型等方面提供對動態(tài)部分重構特性的支持，將動態(tài)部分重構技術與面向服務的異構多核(SOMP)體系結構結合在一起，以提高系統(tǒng)

3、的靈活性。本文在基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的開發(fā)板上實現(xiàn)了具有動態(tài)部分重構特性的SOMP原型系統(tǒng)，從而驗證了本文提出的設計方法的正確性。此外，為了證明動態(tài)部分重構特性的有效性，本文還通過實驗對原型系統(tǒng)的重構開銷和動態(tài)部分重構特性引入的資源開銷等進行了評估。
　　 2)本文對Amdahl定律進行了擴展，將Amdahl定律應用于異構多核片上系統(tǒng)。根據(jù)擴展，我們對處理器核配置、可并行化任務的比重、任務劃分策略等因素對系統(tǒng)性能的影

4、響進行了量化分析，并從理論上指出了為獲得系統(tǒng)最高性能應滿足的條件。該擴展對優(yōu)化異構多核片上系統(tǒng)設計并提高系統(tǒng)應用效率具有指導意義。
　　 3)充分發(fā)掘應用的任務級并行度是提高多核系統(tǒng)應用效率的有效方法之一。為此，本文對異構多核片上系統(tǒng)的自動化任務并行方法進行了研究。通過將多核任務視為抽象指令，我們首次將指令級的記分牌算法擴展到異構多核片上系統(tǒng)，提出了任務級記分牌調度方法。該調度方法能動態(tài)地檢測任務間的依賴關系并自動將任務分配到不

5、同的處理器核上并行執(zhí)行，以提高應用的任務級并行度。我們在SOMP原型系統(tǒng)上實現(xiàn)了任務級記分牌調度方法，并通過實驗將它與其它先進的動態(tài)調度方法進行了對比。對比實驗的結果證明了任務級記分牌調度算法具有較低的運行時調度開銷。
　　 4)本文使用形式化語言——有色Petri網(wǎng)對異構多核片上系統(tǒng)進行了建模。與以往的研究工作不同的是，本文提出的有色Petri網(wǎng)模型不僅可以描述系統(tǒng)的處理器核、存儲單元和任務等靜態(tài)元素，還能夠對系統(tǒng)運行過程中的