面向GPU并行编程的线程同步综述

并行计算已成为主流趋势.在并行计算系统中,同步是关键设计之一,对硬件性能的充分利用至关重要.近年来,GPU(graphic processing unit,图形处理器)作为应用最为广加速器得到了快速发展,众多应用也对GPU线程同步提出更高要求.然而,现有GPU系统却难以高效地支持真实应用中复杂的线程同步.研究者虽然提出了很多支持GPU线程同步的方法并取得了较大进展,但GPU独特的体系结构及并行模式导致GPU线程同步的研究仍然面临很多挑战.根据不同的线程同步目的和粒度对GPU并行编程中的线程同步进行分类.在此基础上,围绕GPU线程同步的表达和执行,首先分析总结GPU线程同步存在的难以高效表达、错误频发、执行效率低的关键问题及挑战;而后依据不同的GPU线程同步粒度,从线程同步表达方法和性能优化方法两个方面入手,介绍近年来学术界和产业界对GPU线程竞争同步及合作同步的研究,对现有研究方法进行分析与总结.最后,指出GPU线程同步未来的研究趋势和发展前景,并给出可能的研究思路,从而为该领域的研究人员提供参考.

航天器总线管理系统的SOC设计与研究

高速、高可靠、低功耗的智能型串行系统总线是航天器进一步发展必须解决的一个关键问题。以1553B总线控制器为例,采用SOC设计方法,研究了航天器系统总线的设计和实现。首先按照1553B总线标准设计了总线管理SOC的系统结构,然后重点解决了SOC设计中的IP开发应用、可靠性设计、容错机制及低功耗实现等关键技术。采用这些SOC设计方法的1553B总线协议处理器取得了一次流片成功,为今后更高速率的航天器总线管理系统的SOC研究提供了一种思路和方法上的借鉴。

UM-BUS总线及接入式体系结构

本文针对航天航空等领域综合电子系统在小型化、一体化设计及信息综合利用等方面的需求,提出一种可动态重构的高速串行通信总线(UM--BUS),采用N(≤32)通道并发传输,通信速率可达6.4Gbps,采用总线型拓扑结构,最大通信距离40m,支持最多30个节点直接互连,具有远程存储访问能力,采用命令应答式协议提供QoS与实时性保证;通过并发通道相互冗余与动态重构,在允许50%性能降低的情况下,能够对N/2通道故障动态容错.在UM-BUS总线基础上,本文提出一种新型的"接入式"体系结构模型,在不改变系统逻辑结构的前提下,能够突破机箱结构限制,将逻辑功能分散嵌入到控制测量对象内部,实现功能模块"接入即用",使得综合电子系统一体化设计成为可能.

基于微包协议的三模冗余容错计算机无缝重构算法

提出了一种基于微包传输协议的系统重构算法,制定了系统重构命令协议,设计了关键数据区的一致性管理算法。不需增加额外的硬件资源和系统开销,利用三机之间的数据交换通道,即可实现三模冗余容错计算机的无缝重构,保证系统在故障恢复重构时工作的连续性。同时,完善的重构命令协议使得重构软件的开发可以采用面向对象思想构成标准化的中间件,具有很强的扩展能力,为构建标准化嵌入式三模冗余容错计算机内核奠定了良好的技术基础。

基于LDO限流技术的辐射闩锁防护技术

讨论了CMOS器件受辐射感生的闩锁与电气感生的闩锁的异同点,研究并提出了一种基于限流型低压降线性调整器的闩锁防护方法,给出了卫星用线性调整器电路的地面总剂量摸底试验数据及空间飞行试验验证结果和解决星载计算机的闩锁防护与恢复问题的有效方法.

一种适于16位RISC处理器的伪四级流水结构研究

提出了伪四级流水结构概念,并在一种微处理器控制器中实现运用。该结构可以在显著提高微处理器指令执行速度的同时,简化其中程序控制器的设计复杂度,降低对芯片资源的要求,适合应用于一些面向I/O数据处理或中低档控制等级的微处理器/微控制器场合。该结构技术已获得国家发明专利授权。

一种硬件监视的关键数据管理算法

为了提高三模冗余容错计算机的故障恢复效率,缩短故障恢复时间,提出并设计实现了一种基于硬件监视的关键数据链表式管理恢复算法,克服了传统容错计算机在故障恢复方面的缺陷.利用系统运行过程中CPU的空闲时间与串行数据交换通道,在不中断系统工作的情况下,对三模冗余容错计算机进行无缝恢复,保证了系统在故障恢复时工作的连续性,同时给出了系统的具体恢复过程和测试结果.实验结果验证了该方法的可行性和可靠性.

新型非易失存储的安全与隐私问题研究综述

近年来,以相变存储器(phase change memory,PCM)为代表的各种新型非易失存储(nonvolatile memory,NVM)技术得到广泛关注.NVM同时具有传统内存的字节寻址特性和外存的非易失特性,因而可以同时替代内存和外存,也可以用于混合存储体系结构.NVM具有低延时、高密度、低功耗的优势,有效缓解了存储墙问题.然而,由于应用程序可以直接通过存取指令(load/store)接口访问NVM,并且掉电后存储在NVM上的信息不会丢失,这给NVM的应用带来了一些新的安全和隐私挑战.首先讨论了持久化内存泄漏、不经意写操作、元数据安全、恶意磨损攻击、非易失指针等NVM应用中可能存在的安全问题以及最新的解决方案;然后讨论了数据保护、信息泄露等NVM应用中可能存在的隐私问题及现有的解决方案;最后探讨了NVM还需解决的安全和隐私问题,包括非易失缓存、程序安全等,并提出了一些解决方案,包括权限和保护机制的融合、使用易失性的NVM等.

新型总线中并行CRC算法的设计与实现

为了对动态可重构高速串行总线UM-BUS进行差错控制,提出了一种用于新型总线数据校验的四通道并行CRC算法。根据UM-BUS的多通道并发通信方式和通道动态组织特点,采用四体FIFO进行数据缓冲存储,并设计了满足总线特点的四通道并行CRC编解码器。在此基础上,给出了它的FPGA实现方案和仿真结果。该并行CRC编解码器,可实时计算总线通信数据的CRC校验码,已成功的应用于动态可重构高速串行总线系统中,实现对突发错误的实时检测,通信速率达到100Mbps/通道。

动态可重构总线数据传输管理方法设计与实现

为实现总线多通道数据并发高速传输与容错,解决故障状态下的总线数据动态重构问题,设计一种动态可重构总线数据传输管理方法。采用四体先入先出队列(FIFO)进行数据缓冲存储,利用通道故障状态表,通过4×32矩阵开关数据,传输管理阵列组织与4个FIFO缓冲区及所有有效通道间的数据传输。在8通道系统中的实验结果表明,最高通信速率可达到800 Mb/s,能对7个通道故障进行动态容错。

通过非易失存储和检查点优化缓解日志开销

在文件系统进行用户数据和元数据的持久化过程中,如果出现异常掉电或系统崩溃,可能导致文件系统出现数据的不一致性问题.现有的Ext4文件系统通过写前日志(write-ahead logging,WAL)技术结合事务机制来保证持久化操作的一致性.写前日志技术将文件系统元数据写入磁盘2次,元数据的粒度小、数量大、重复度高,影响了程序的性能,也缩短了Flash存储介质的使用寿命.针对这一问题,提出了使用新型非易失存储(non-volatile memory,NVM)作为存放日志的独立外部设备,并通过存取指令(load/store)接口直接访问;同时使用倒序扫描(reverse scan)技术对检查点(checkpoint)流程进行优化,减少同一数据块的重复写操作.实验结果表明,使用NVM作为外部日志分区,对于写操作比重较大的程序,在HDD上带宽提升接近50%;在SSD上带宽提升达到23%;在checkpoint时使用倒序扫描之后,写入次数降低明显,带宽提升接近20%.

基于PCIE总线主模式DMA高速数据传输系统设计

介绍了一种基于PCIE总线主模式DMA高速数据传输系统的设计。该系统利用Xilinx公司V5系列的FPGA芯片搭建了x1通道的PCIE系统。实验利用自行开发的PCIE接口板实现了单字读写及DMA读写的传输方式,并在上位机软件界面上及Chip Scope中显示并验证了读写数据的正确性,经实验表明传输速率可稳定在400 MB/s左右。

软硬件协同设计的SEU故障注入技术研究

针对现有容错计算机故障注入方法缺乏对空间环境中频发的单粒子故障模型的支持,本文提出了一种利用背板技术的软硬件协同仿真与故障注入技术,分别针对寄存器部件和存储器部件的特性,设计了多位错误的单粒子故障模型,在寄存器传输级实现了通过软件生成故障并注入到硬件设计中的软硬件协同故障注入方案,避免了在硬件设计中修改代码生成故障破坏系统完整性的问题.基于Leon2内核的故障注入实验表明,本文设计的平台为处理器容错设计提供了一个自动化、非侵入、低开销的故障注入和可靠性评估方案.

面向星载数据管理系统的SpaceWire总线仿真系统开发

本文介绍并分析了日本的X射线天文卫星ASTRO-H中SpaceWire的应用模式,然后结合我国星载数据管理系统建立了SpaceWire总线应用的仿真系统,模拟星载管理单元与设备以及设备与设备间的数据通信,实现了对系统综合数据业务的统一管理,对在轨数据系统实施自主管理和冗余容错管理奠定了技术基础.

一种改进的数据通信协议设计与实现

在主机与目标机间建立与通信端口无关的命令驱动式数据通信协议,给出数据包格式及命令功能定义。该协议采用分层和模块化设计方法,支持1553B和RS-232 2种通信端口,通过扩展底层通信管理模块可实现对CAN、SPI、SPACEWIRE等总线的支持。SPARC V8存储器加载和下载软件的运行结果验证该协议的正确性,表明其能屏蔽不同通信端口之间的差异性,实现正常的数据传输。

视频图像运动补偿系统的设计与实现

以电子稳像为背景,为解决难以实时根据偏移量对视频图像进行补偿的问题,设计了基于FPGA的运动补偿系统。对视频进行采集后提取出了灰度分量便于处理;用乒乓存储解决去隔行处理中视频数据量大、硬件资源有限的问题;用片外SRAM作为帧缓存,通过操作读写地址和控制VGA时序实现了图像的平移显示,同时满足实时性的要求。最终实现了对视频图像的实时平移,并最终在VGA上显示。系统全部由硬件编程实现,实验结果表明可以满足功能需求,显示效果良好且扩展性强。

面向空间应用的片上系统集成技术研究

文章采用一种新颖方法对商用IP进行可靠性提升、完善,同时进行容错结构设计,建立了拥有自主知识产权的专用加固型标准单元库,构建了面向空间应用的SoC设计方法与流程,形成了面向空间电子系统的系统集成设计平台,用该技术实现了面向卫星等空间应用的32位嵌入式RISC处理器SoC芯片,获得了一次投片成功。

面向卫星数据系统的SpaceWire应用模型仿真研究

针对我国未来航天应用的需要,建立了SpaceWire总线在卫星在轨数据系统应用的半物理仿真平台,对SpaceWire总线的仿真应用模型进行了设计与实现.仿真系统采用了冗余容错结构,在节点故障时,能够通过Dijkstra算法重新计算最优通信路径,对路由表进行动态重构,实现对节点故障的动态容错.另外,通过对SpaceWire总线的通信性能测试结果的分析研究指出,SpaceWire总线在卫星在轨数据系统中可以用于提高总线数据传输的带宽和实时性,然而总线系统的基础可靠性还应当由1553B总线来提供.

基于AMBA总线UART IP核的设计与实现

在兼容于SPARC -V8体系结构的LS -FT32系统中 ,采用AMBA总线作为片上系统总线。为了与外部设备进行串行通讯 ,必须设计与AMBA总线接口的UART控制器。文中主要介绍了如何用硬件描述语言 (VHDL)来设计实现挂接在AMBAAPB总线上的UART ,以及如何通过可编程逻辑器件 (FPGA)完成对设计的验证 。

面向单粒子翻转效应的模拟故障注入技术

通过分析基于VHDL模拟故障注入技术对SEU故障注入的不足,提出一种基于VHDL与C语言混合的注入方法。在此基础上,设计实现一款面向SEU的仿真故障注入平台,对该平台的结构及主要模块进行详细的描述。以LEON 2处理器为目标系统进行故障注入实验,实验结果验证了该平台能够实现有效的故障注入。