基于Amdahl定律的异构多核密码处理器能效模型研究

边缘计算安全的资源受限特征及各种新型密码技术的应用,对多核密码处理器的高能效、异构性提出需求,但当前尚缺乏相关的异构多核能效模型研究.本文基于扩展Amdahl定律,引入密码串并特征、异构多核结构、数据准备时间、动态电压频率调节等因素,将核划分空闲、活跃状态,建立异构多核密码处理器的能效模型.MATLAB仿真结果表明,数据准备时间占比小于10%时,对能效的负面影响大幅下降;固定电压,频率缩放会影响能效值大小;处理器核空闲/活跃能耗比例越小,能效值越大.架构上,固定异构核,同构核数量与密码任务最大并行度相等时能效值最大,最佳异构核数可由模型变化参数仿真得到;多任务调度执行上,流水与并发执行有利于能效值的进一步提升.多核密码处理器芯片板级测试结果表明,仿真结果与实测数据相关系数接近1,芯片实测的数据准备时间、电压频率缩放等因素的影响与仿真分析基本一致,验证了所提能效模型的有效性.该文重点从影响能效变化趋势因素上,为多核密码处理器异构、高能效设计提供一定的理论分析基础与建议.

MVSim:面向VLIW多核向量处理器的快速、可扩展和精确的体系结构模拟器

设计了一个面向VLIW多核向量处理器的快速、可扩展、精确的体系结构模拟器MVSim。设计了可扩展的VLIW多核向量处理器模型、多级存储体系结构模型和多核性能模型;实现了指令集架构的节拍精准模拟,Cache、DMA和多核同步部件的高效功能模拟,采用多线程技术实现了多核处理器的高效和可扩展模拟。实验结果表明,MVSim能够准确模拟多核处理器的目标程序执行,模拟结果完全正确,具有良好的可扩展性。MVSim的平均模拟速度分别是RTL模拟和CCS的227倍和5倍,平均性能误差约为2.9%。

多核处理器公平共享并行总线的方法

针对综合化电子系统中多个功能运行于同一多核处理器的不同核同时访问同一并行总线的冲突避免以及实时性问题,提出一种基于最小访问颗粒度的多核处理器公平共享并行总线的方法,并详细介绍了该方法的设计实现及验证。该方法不仅通过为每核分配一个总线操作缓冲队列保障了同一核的总线操作先到先服务,而且通过单个读写操作周期的公平队列算法保障了每核总线操作的实时性。工程实践表明,该方法是一种多核处理器公平共享并行总线的有效方法。

国产SW26010-Pro处理器上3级BLAS函数众核并行优化

BLAS(basic linear algebra subprograms)是最基本、最重要的底层数学库之一.在一个标准的BLAS库中,BLAS 3级函数涵盖的矩阵-矩阵运算尤为重要,在许多大规模科学与工程计算应用中被广泛调用.另外,BLAS 3级属于计算密集型函数,对充分发挥处理器的计算性能有至关重要的作用.针对国产SW26010-Pro处理器研究BLAS 3级函数的众核并行优化技术.具体而言,根据SW26010-Pro的存储层次结构,设计多级分块算法,挖掘矩阵运算的并行性.在此基础上,基于远程内存访问(remote memory access,RMA)机制设计数据共享策略,提高从核间的数据传输效率.进一步地,采用三缓冲、参数调优等方法对算法进行全面优化,隐藏直接内存访问(direct memory access,DMA)访存开销和RMA通信开销.此外,利用SW26010-Pro的两条硬件流水线和若干向量化计算/访存指令,还对BLAS 3级函数的矩阵-矩阵乘法、矩阵方程组求解、矩阵转置操作等若干运算进行手工汇编优化,提高了函数的浮点计算效率.实验结果显示,所提出的并行优化技术在SW26010-Pro处理器上为BLAS 3级函数带来了明显的性能提升,单核组BLAS 3级函数的浮点计算性能最高可达峰值性能的92%,多核组BLAS 3级函数的浮点计算性能最高可达峰值性能的88%.

面向众核处理器的阴阳K-means算法优化

传统阴阳K-means算法处理大规模聚类问题时计算开销十分昂贵。针对典型众核处理器的体系结构特征,提出了一种阴阳K-means算法高效并行加速实现。该实现基于一种新内存数据布局,采用众核处理器中的向量单元来加速阴阳K-means中的距离计算,并面向非一致内存访问(non-unified memory access, NUMA)特性进行了针对性的访存优化。与阴阳K-means算法的开源多线程实现相比,该实现在ARMv8和x86众核平台上分别获得了最高约5.6与8.7的加速比。因此上述优化方法在众核处理器上成功实现了对阴阳K-means算法的加速。

基于交叉开关互连的多核堆栈处理器架构设计

为满足堆栈处理器对于并行化程序应用的需求,提出一种多核堆栈处理器架构。在单核堆栈处理器的基础上,以交叉开关作为核间互连结构,通过对指令集、高速缓存器、一致性协议以及中断机制的设计,可在一个时钟周期内完成取指、译码、执行、核间数据传输和中断响应操作。在Xilinx FPGA芯片上进行单核、双核和四核堆栈处理器的实现,通过矩阵乘法计算进行性能实验验证,在100 MHz时钟频率的情况下,四核堆栈处理器的最大性能相当于单核堆栈处理器的3.99倍。实验结果表明,基于交叉开关互连的多核堆栈处理器架构可较好发挥多核堆栈处理器中每一个核心的性能。

多核堆栈处理器研究与设计

为满足日趋复杂的嵌入式环境对堆栈处理器和Forth技术的应用需求,在单核堆栈处理器模型研究的基础上,设计一种多核堆栈处理器模型。基于J1单核堆栈处理器模型,针对多核目标,增加计时器、中断等功能,形成新的L32单核堆栈处理器模型,并以该单核模型为内核,引入共享总线和十字开关互联方式的Wishbone总线、多端口存储器和面向多任务Forth系统的指令集,建立一种多核堆栈处理器模型L32-MC。利用该多核模型,在FPGA上实现4核和8核的L32-MC原型多核堆栈处理器。实验结果表明,4核和8核的L32-MC原型堆栈处理器满足高性能低功耗的多核处理器设计目标。

面向申威众核处理器的规则处理优化技术

高性能口令恢复系统是申威众核处理器的重要应用场景之一,规则处理是主流口令恢复工具中被广泛应用的一种口令生成方式.现有相关研究工作缺少对规则处理算法的优化,导致申威处理器上基于规则的口令生成速度成为口令恢复系统的性能瓶颈.通过分析规则处理算法的多层次可并行性,提出了面向申威众核处理器的线程级、数据级优化方案.在线程级优化方案中,探索了规则处理算法的最优任务映射方式,设计了主从核任务分配机制、从核缓冲区配比优化机制、负载均衡机制、变长规则存储机制等技术以提高并行效率;在数据级优化方案中,分析了规则处理算法中规则函数的计算模式,并通过申威SIMD指令集对规则函数进行向量优化以提高执行效率.在SW26010处理器上的实验结果表明,上述优化方案有效解除了规则处理的性能瓶颈,使规则模式下的口令恢复速度提升了30~101倍.

一种多核处理器中混合关键级任务半分区调度算法

目前用于混合关键级系统的任务调度算法存在资源分配不合理、中低关键级任务的运行受限等情况,造成系统整体服务质量被降低.本文提出了有效改进系统服务质量的半分区调度算法,该调度算法将用于多核处理器的空闲资源回收计算,能够在触发了高关键级模式的情况下,为被抛弃的低关键级任务分配空闲时间片.此外,该算法还可以利用系统中的空闲时间片推迟系统关键等级的提升,并提出系统关键等级平稳回落策略,两者可以确保系统关键等级不会过于频繁变化.最后,通过算法仿真和实验证明了本文所提方法在混合关键级任务调度问题上的有效性和优越性.

基于AMP模式多核处理器的可信节点构建方法

针对多核处理器的安全性进行研究,深入探讨了微处理器技术的发展背景以及多核处理器在非对称多处理(AMP)模式下所面临的安全挑战。通过运用可信计算技术和双体系架构,结合AMP模式的工作特点以及多核之间的控制机制,提出一种主动免疫防御系统的策略和可信节点的构建方法,分析了可信计算在全工作过程中的度量机制,有效解决了多核处理器在AMP模式下的安全问题,同时很好地保持了核内原有系统的实时性。该方法不仅可以增强多核处理器的安全性,还能确保系统的可信运行环境,为未来计算设备的安全提供了坚实的支撑。通过对实验验证结果的分析,构建方案完全可行,能够在实际应用中推广。

多核处理器共享Cache的划分算法

针对多核处理器性能优化问题,文中深入研究多核处理器上共享Cache的管理策略,提出了基于缓存时间公平性与吞吐率的共享Cache划分算法MT-FTP(Memory Time based Fair and Throughput Partitioning)。以公平性和吞吐率两个评价性指标建立数学模型,并分析了算法的划分流程。仿真实验结果表明,MT-FTP算法在系统吞吐率方面表现较好,其平均IPC(Instructions Per Cycles)值比UCP(Use Case Point)算法高1.3%,比LRU(Least Recently Used)算法高11.6%。MT-FTP算法对应的系统平均公平性比LRU算法的系统平均公平性高17%,比UCP算法的平均公平性高16.5%。该算法实现了共享Cache划分公平性并兼顾了系统的吞吐率。

基于GSLF-SSA的异构多核处理器任务调度

为了提高异构多核处理器平台的计算性能,从任务调度的角度出发,提出了一种使用黄金正弦和莱维飞行机制改进的麻雀搜索算法(Fusion of Golden Sinusoidal and Levy Flight in Sparrow Search Algorithm,GSLF-SSA)来优化异构多核处理器的任务调度。通过对异构任务调度的分析,将异构任务建模为DAG(Directed Acyclic Graph)任务模型,通过对其优先级进行随机编码分配,实现了GSLF-SSA算法求解域从连续到离散的映射,使该算法更能适用于异构多核任务调度之中。将DAG任务的最优调度长度作为算法的适应度值进行迭代寻优,通过与目前应用广泛的麻雀搜索算法(SSA)、混合式任务调度算法(IHSSA)、人工蜂群算法(ABC)等多种启发式算法在异构任务调度环境下的实验对比表明,GSLF-SSA能获得更优的调度长度与更短的调度执行时间。

基于国产多核处理器和FPGA的多接口处理模块设计

多接口处理模块负责实现航电系统的综合信息处理与调度、系统状态监控等功能。采用国产飞腾四核处理器、国产复旦微K7型现场可编程门阵列(FPGA)设计了一种多接口处理模块,搭载国产天脉3操作系统。飞腾四核处理器通过PCIe接口和FPGA通信,对ARINC429、RS422、RS485、离散量等接口数据进行收发和处理。

申威众核处理器访存与通信融合编译优化

申威众核片上多级存储层次是缓解众核“访存墙”的重要结构.完全由软件管理的SPM结构和片上RMA通信机制给应用性能提升带来很多机会,但也给应用程序开发优化与移植提出了很大挑战.为充分挖掘片上存储层次特点提升应用程序性能,同时减轻用户编程优化负担,提出一种多级存储层次访存与通信融合的编译优化方法.该方法首先设计融合编译指示,将程序高层信息传递给编译器.其次构建编译优化收益模型并设计启发式循环优化方案迭代求解框架,并由编译器完成循环优化方案的求解和优化代码的变换.通过编译生成的DMA和RMA批量数据传输操作,将较低存储层次空间中高访问延迟的核心数据批量缓冲进低访问延迟的更高存储层次空间中.在3个典型测试用例上进行优化实验测试与分析,结果表明所提出的优化在性能上与手工优化相当,较未优化版程序性能有显著提升.

基于高密度计算的多核处理器电力芯片低功耗设计系统

多核处理器电力芯片是目前多种系统的重要组成部分,设计低功耗电力芯片,能够更好地保证系统正常运行。目前设计的电力芯片低功耗系统运行速度较慢,功耗难以达到用户要求,为此该文应用高密度计算设计了一种多核处理器电力芯片低功耗系统。兼容系统多核处理器与层次化AHB总线,探索处理器电力芯片的整体结构,集中处理存储数据信息,不断调整系统算法参数,通过高密度分析引入矩阵进行数据解析,确保运行过程的安全性。在分析处理器调度性能的基础上,利用高密度处理对数据进行层次化处理,避免数据冗余造成的系统运行故障。实验结果表明,引入所设计系统后电力芯片功耗减少了60%,加速比达到3.992,可以有效提高电力芯片运行性能。

基于双核锁步的多核处理器SEU加固方法

以单粒子翻转为代表的软错误是制约COTS器件空间应用的主要因素之一;为了满足空间应用对高集成卫星电子系统抗辐照防护的要求,提出了一种面向通用多核处理器的单粒子翻转加固方法,通过软件层面双核互检,在不额外增加硬件开销的前提下,充分提高了COTS器件的可靠性,具有良好的可移植性和较强的工程实用价值;进行软件故障注入实验,在程序执行的关键节点注入错误信息,验证该双核互检方法实用性;实验结果表明双核互锁方法可以100%检测出系统中产生的单粒子翻转,抗软错误能力满足应用需要。

基于龙芯LA132软核处理器的宇航级SoPC设计

针对现有星载计算机主控系统灵活性差和在空间辐射环境中存在单粒子翻转等问题,设计了一种灵活性强、可靠性高、自主可控的宇航级片上可编程系统(System-on-Programmable-Chip,SoPC)。该系统将龙芯LA132软核处理器应用于航天领域,降低了星载计算机主控系统的体积。为系统存储单元设计实现了一种基于矩阵算法的RS(8,4)码,可在无延迟的情况下实现错误检测与纠正功能,增强了系统的可靠性。测试结果表明,该SoPC系统在Xilinx KCU105硬件平台上可实现单周期内对两个错误符号的检测与纠正,满足宇航级安全性与可靠性的需求,为星载计算机主控系统的小型化提供了一种新的解决方案。

一种基于异构多核处理器的共享内存设计

随着集成电路技术的日趋复杂化,嵌入式技术实现了从单核向多核的发展,在航空、航天、汽车等领域中,非对称多核处理器已成为现今主流的异构多核处理器架构。非对称多核处理器采用不同类型和不同核心数量的处理器单元,多个处理器运行各自的独立应用程序且相互之间隔离。为了充分发挥异构处理器的多核特性,针对非对称多核处理器不同核部署不同应用,多核之间的通信技术非常关键,因此设计了一种基于异构多核处理器的共享内存实现核间的数据交互,并在实际工程实践中验证了该方法的实用性。

一种基于ZYNQ的异构多核处理器之间的通信方法

随着嵌入式技术的发展以及信号处理技术的发展,测控系统在跟踪、遥测、测距、遥控等任务中,对系统的计算能力以及数据的分发速率等方面的要求越来越高,数据的通信效率已然成为整个测控系统性能的关键性指标之一。异构多核处理器作为一种特殊的处理器架构,它结合了不同类型的处理器,以此提供了更高的计算性能,被越来越多的应用到嵌入式测控系统中。

多核处理器的低功耗技术专利现状

随着半导体的快速发展,其集成度越来越高,半导体芯片的温度也随着指数的增长,数据表明,半导体芯片的功耗密度每3年就翻倍一次,进一步的,半导体芯片的故障率会随着温度升高10度而提高2倍,因此,在半导体芯片的研发过程中,功耗问题是始终无法逃避和回避的重要研究课题。