多核技術(shù)概述

1、1 2 3 1945年，世界上第一臺(tái)全自動(dòng)電子年，世界上第一臺(tái)全自動(dòng)電子 數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī)eniac（埃尼阿克）。采用（埃尼阿克）。采用 電子管，作為基本原件，每秒可進(jìn)行電子管，作為基本原件，每秒可進(jìn)行 5000次加減乘除，占地次加減乘除，占地172平米，重平米，重30 噸，耗電噸，耗電150千瓦。千瓦。 他的問世表明計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來。他的問世表明計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來。 從此以后計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展日新月異。從此以后計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展日新月異。 4 計(jì)算機(jī)的發(fā)展按照硬件工藝可以分為四個(gè)階段計(jì)算機(jī)的發(fā)展按照硬件工藝可以分為四個(gè)階段: 第四代第四代(1971年以后）：年以后）：大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電

2、路數(shù)字計(jì)算數(shù)字計(jì)算 機(jī)。邏輯原件和主存都采用大規(guī)模集成電路。機(jī)。邏輯原件和主存都采用大規(guī)模集成電路。 第三代（第三代（19641971）：）：集成電路集成電路數(shù)字計(jì)算機(jī)。數(shù)字計(jì)算機(jī)。 軟件完善，分時(shí)操作系統(tǒng)、會(huì)話式語言都有發(fā)展。軟件完善，分時(shí)操作系統(tǒng)、會(huì)話式語言都有發(fā)展。 第二代（第二代（19581964）：）：晶體管晶體管數(shù)字計(jì)算機(jī)。數(shù)字計(jì)算機(jī)。 外存采用磁盤；出現(xiàn)各種高級(jí)語言及編譯程序。外存采用磁盤；出現(xiàn)各種高級(jí)語言及編譯程序。 第一代（第一代（19461958）：）：電子管電子管數(shù)字計(jì)算機(jī)。數(shù)字計(jì)算機(jī)。 主存使用汞延遲線、磁鼓、磁芯；外存采用磁帶。主存使用汞延遲線、磁鼓、磁芯；外存采用磁

3、帶。 軟件主要使用機(jī)器語言、匯編語言。軟件主要使用機(jī)器語言、匯編語言。 5 計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向: 巨型機(jī)巨型機(jī) 微型機(jī)微型機(jī) 銀河系列、曙銀河系列、曙 光系列光系列 pc機(jī)機(jī) 核心核心:微處理器（體積小、微處理器（體積小、 重量輕、功耗低、功能重量輕、功耗低、功能 強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)靈強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)靈 活）活） 6 微處理器的發(fā)展史微處理器的發(fā)展史: 7 微處理器的發(fā)展史微處理器的發(fā)展史: 8 4004: 4位位 8086: 16位位 8008: 8位位 80386: 32位位 位數(shù)位數(shù): 緩存緩存:80386開始有高速緩存開始有高速緩存(cache). pentium ii

4、開始有二級(jí)緩存開始有二級(jí)緩存(l2). 多核多核:奔騰奔騰d處理器處理器. 關(guān)于處理器發(fā)展史的說明關(guān)于處理器發(fā)展史的說明: itanium(安騰安騰) : 64位位 9 1 高速緩存高速緩存(cache)技術(shù)技術(shù): 處理器發(fā)展史中的一些重要技術(shù)處理器發(fā)展史中的一些重要技術(shù): cache是位于是位于cpu與與mem之間的臨時(shí)存儲(chǔ)器，之間的臨時(shí)存儲(chǔ)器， 它的容量比它的容量比mem小但交換速度快。在小但交換速度快。在cache中的中的 數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)是mem中的一小部分，但這一小部分是短中的一小部分，但這一小部分是短 時(shí)間內(nèi)時(shí)間內(nèi)cpu即將訪問的，當(dāng)即將訪問的，當(dāng)cpu調(diào)用大量數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用大量數(shù)據(jù)時(shí)，

5、就可避開就可避開mem直接從直接從cache中調(diào)用，從而加快讀中調(diào)用，從而加快讀 取速度。取速度。 cpu速度快速度快, mem速度較慢速度較慢, cache技術(shù)可技術(shù)可 解決該矛盾。解決該矛盾。 10 流水線技術(shù)是一種將每條指令分解為多步，流水線技術(shù)是一種將每條指令分解為多步， 并讓各步操作重疊，從而實(shí)現(xiàn)幾條指令并行處并讓各步操作重疊，從而實(shí)現(xiàn)幾條指令并行處 理的技術(shù)。理的技術(shù)。 程序中的指令仍是一條條順序執(zhí)行，但可程序中的指令仍是一條條順序執(zhí)行，但可 以預(yù)先取若干條指令，并在當(dāng)前指令尚未執(zhí)行以預(yù)先取若干條指令，并在當(dāng)前指令尚未執(zhí)行 完時(shí)，提前啟動(dòng)后續(xù)指令的另一些操作步驟。完時(shí)，提前啟動(dòng)后續(xù)

6、指令的另一些操作步驟。 這樣可以加快程序的運(yùn)行。這樣可以加快程序的運(yùn)行。 2 流水線技術(shù)流水線技術(shù): 11 3 超線程超線程(hyper-threading, ht)技術(shù)技術(shù): 超線程技術(shù)就是利用超線程技術(shù)就是利用特殊的硬件指令特殊的硬件指令，把兩個(gè)，把兩個(gè) 邏輯內(nèi)核邏輯內(nèi)核模擬模擬成兩個(gè)物理芯片，讓單個(gè)處理器能成兩個(gè)物理芯片，讓單個(gè)處理器能 使用線程級(jí)并行計(jì)算，進(jìn)而兼容多線程操作系統(tǒng)使用線程級(jí)并行計(jì)算，進(jìn)而兼容多線程操作系統(tǒng) 和軟件，減少了和軟件，減少了cpu的閑置時(shí)間，提高的閑置時(shí)間，提高cpu的運(yùn)的運(yùn) 行效率。行效率。 采用超線程技術(shù)能同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)線程采用超線程技術(shù)能同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)線程,

7、是因?yàn)槭且驗(yàn)?他們使用了他們使用了芯片的不同部分芯片的不同部分, 他們并不能象兩個(gè)真他們并不能象兩個(gè)真 正的正的cpu那樣，每各那樣，每各cpu都具有獨(dú)立的資源。都具有獨(dú)立的資源。 當(dāng)兩個(gè)線程都同時(shí)需要某一個(gè)資源時(shí)，其中一當(dāng)兩個(gè)線程都同時(shí)需要某一個(gè)資源時(shí)，其中一 個(gè)要暫時(shí)停止，并讓出資源，直到這些資源閑置后個(gè)要暫時(shí)停止，并讓出資源，直到這些資源閑置后 才能繼續(xù)。因此超線程的性能并不等于兩顆才能繼續(xù)。因此超線程的性能并不等于兩顆cpu的的 性能。性能。 12 mmx (multimedia extensions), 多媒體擴(kuò)展指令集多媒體擴(kuò)展指令集. sse2 sse3 sse4 提高在多媒體和

8、提高在多媒體和3d圖形方面的處理能力圖形方面的處理能力 要使用這些新指令集要使用這些新指令集,需使用專業(yè)編譯器。需使用專業(yè)編譯器。 4 新指令集新指令集: sse (streaming simd extensions), 第二套多媒體第二套多媒體 專用指令集，加速專用指令集，加速cpu的的3d運(yùn)算能力。運(yùn)算能力。 3d now：3d加速指令集，加速加速指令集，加速cpu的浮點(diǎn)運(yùn)算。的浮點(diǎn)運(yùn)算。 13 概念概念:由一組處理單元組成，這組處理單元通由一組處理單元組成，這組處理單元通 過相互之間的通信與協(xié)作，以更快的速度共過相互之間的通信與協(xié)作，以更快的速度共 同完成一項(xiàng)大規(guī)模的計(jì)算任務(wù)。同完成一項(xiàng)

9、大規(guī)模的計(jì)算任務(wù)。 兩個(gè)最主要的組成部分（發(fā)展的方向）兩個(gè)最主要的組成部分（發(fā)展的方向）: 節(jié)點(diǎn)間的通信與協(xié)作機(jī)制節(jié)點(diǎn)間的通信與協(xié)作機(jī)制 計(jì)算節(jié)點(diǎn)計(jì)算節(jié)點(diǎn) 14 出現(xiàn)背景：出現(xiàn)背景： 6060年代初期，晶體管以及磁芯存儲(chǔ)器的出年代初期，晶體管以及磁芯存儲(chǔ)器的出 現(xiàn)，處理單元變得越來越小，存儲(chǔ)器也更加現(xiàn)，處理單元變得越來越小，存儲(chǔ)器也更加 小巧和廉價(jià)。出現(xiàn)規(guī)模不大的共享存儲(chǔ)多處小巧和廉價(jià)。出現(xiàn)規(guī)模不大的共享存儲(chǔ)多處 理器系統(tǒng)，即大型主機(jī)（理器系統(tǒng)，即大型主機(jī)（mainframemainframe）。）。 60 60 年代末期，同一個(gè)處理器開始設(shè)置多年代末期，同一個(gè)處理器開始設(shè)置多 個(gè)功能相同的功

10、能單元，流水線技術(shù)也出現(xiàn)個(gè)功能相同的功能單元，流水線技術(shù)也出現(xiàn) 了，在處理器內(nèi)部的應(yīng)用大大提高了并行計(jì)了，在處理器內(nèi)部的應(yīng)用大大提高了并行計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)的性能。算機(jī)系統(tǒng)的性能。 15 下面我們討論如下兩方面的內(nèi)容：下面我們討論如下兩方面的內(nèi)容： 1 并行計(jì)算機(jī)的弗林（并行計(jì)算機(jī)的弗林（flynn）分類）分類 2 并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類 16 1 并行計(jì)算機(jī)的弗林（并行計(jì)算機(jī)的弗林（flynn）分類）分類: 指令流（指令流（ instruction stream ）: 機(jī)器執(zhí)行的指令序列機(jī)器執(zhí)行的指令序列. 數(shù)據(jù)流（數(shù)據(jù)流（ data stream ）: 指令調(diào)用的數(shù)據(jù)序列指

11、令調(diào)用的數(shù)據(jù)序列(輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果) 從計(jì)算機(jī)的運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行分類：從計(jì)算機(jī)的運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行分類： 17 多指令流單數(shù)據(jù)流多指令流單數(shù)據(jù)流 (multiple instruction stream single data stream, misd) 單指令流多數(shù)據(jù)流單指令流多數(shù)據(jù)流 (single instruction stream multiple data stream, simd) 單指令流單數(shù)據(jù)流單指令流單數(shù)據(jù)流 (single instruction stream single data stream, sisd) 多指令流多數(shù)據(jù)流多指令流多數(shù)據(jù)流 (multipl

12、e instruction stream multiple data stream, mimd) flynn根據(jù)指令流和數(shù)據(jù)流的不同組織方式，根據(jù)指令流和數(shù)據(jù)流的不同組織方式， 把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為四類：把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為四類： 18 flynn分類法：分類法： 19 20 一個(gè)控制部件，多個(gè)專門設(shè)計(jì)的處理單元一個(gè)控制部件，多個(gè)專門設(shè)計(jì)的處理單元 21 采用通用的采用通用的cpu，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信 22 misd結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 實(shí)際中存在爭(zhēng)議，有的學(xué)者認(rèn)為沒實(shí)際中存在爭(zhēng)議，有的學(xué)者認(rèn)為沒 有這種結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，而有的文獻(xiàn)則把有這種結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，而有的文獻(xiàn)則把 流水線結(jié)構(gòu)的計(jì)

13、算機(jī)看成流水線結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)看成misd結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 23 2 并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類: (1) 分布式存儲(chǔ)器的分布式存儲(chǔ)器的simd處理機(jī)處理機(jī) 含有多個(gè)同樣結(jié)構(gòu)的含有多個(gè)同樣結(jié)構(gòu)的 處理單元（處理單元（pe），通），通 過尋徑網(wǎng)絡(luò)以一定方過尋徑網(wǎng)絡(luò)以一定方 式互相連接。式互相連接。 互連網(wǎng)絡(luò) pe lmlm pe cu 前端機(jī) lm pe 每個(gè)每個(gè)pe有各自有各自 的本地存儲(chǔ)器的本地存儲(chǔ)器 （lm）。）。 向量數(shù)據(jù)總線向量數(shù)據(jù)總線 控制單元控制單元 24 (2) 向量超級(jí)計(jì)算機(jī)（共享式存儲(chǔ)器向量超級(jí)計(jì)算機(jī)（共享式存儲(chǔ)器simd） 集中設(shè)置存儲(chǔ)器，共集中設(shè)置存儲(chǔ)器，共 享

14、的多個(gè)并行存儲(chǔ)器享的多個(gè)并行存儲(chǔ)器 通過通過對(duì)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)與各處與各處 理單元理單元pe相連。相連。 mmm 互連網(wǎng)絡(luò) pepepe cu 前端機(jī) 存儲(chǔ)模塊數(shù)目等于或存儲(chǔ)模塊數(shù)目等于或 者略大于處理單元的者略大于處理單元的 數(shù)目。為減少?zèng)_突應(yīng)數(shù)目。為減少?zèng)_突應(yīng) 合理分布數(shù)據(jù)。合理分布數(shù)據(jù)。 25 (3) 對(duì)稱多處理器（對(duì)稱多處理器（smp） 一個(gè)計(jì)算機(jī)上匯集了一組處理器，各處一個(gè)計(jì)算機(jī)上匯集了一組處理器，各處 理器之間共享內(nèi)存子系統(tǒng)以及總線結(jié)構(gòu)。同理器之間共享內(nèi)存子系統(tǒng)以及總線結(jié)構(gòu)。同 時(shí)由多個(gè)處理器運(yùn)行操作系統(tǒng)的單一副本，時(shí)由多個(gè)處理器運(yùn)行操作系統(tǒng)的單一副本， 共享內(nèi)存和其它的資源。共享內(nèi)

15、存和其它的資源。 mimd 26 (4) 并行向量處理機(jī)（并行向量處理機(jī)（pvp） 在并行向量處理機(jī)中有少量專門定制的向量處理在并行向量處理機(jī)中有少量專門定制的向量處理 器。每個(gè)向量處理器有很高的處理能力。并行向器。每個(gè)向量處理器有很高的處理能力。并行向 量處理機(jī)通過量處理機(jī)通過向量處理向量處理和和多個(gè)向量處理器并行處多個(gè)向量處理器并行處 理理兩條途徑來提高處理能力。兩條途徑來提高處理能力。 vpvpvp 交叉開關(guān)網(wǎng)絡(luò) vpvpvp 27 (5) 集群計(jì)算機(jī)集群計(jì)算機(jī) 集群是一組獨(dú)立的計(jì)算機(jī)（節(jié)點(diǎn)）的集合體，集群是一組獨(dú)立的計(jì)算機(jī)（節(jié)點(diǎn)）的集合體， 節(jié)點(diǎn)間通過高性能的互連網(wǎng)絡(luò)連接；各節(jié)點(diǎn)除了節(jié)

16、點(diǎn)間通過高性能的互連網(wǎng)絡(luò)連接；各節(jié)點(diǎn)除了 可以作為一個(gè)單一的計(jì)算資源供交互式用戶使用可以作為一個(gè)單一的計(jì)算資源供交互式用戶使用 外，還可以協(xié)同工作并表現(xiàn)為一個(gè)單一的、集中外，還可以協(xié)同工作并表現(xiàn)為一個(gè)單一的、集中 的計(jì)算資源供并行計(jì)算任務(wù)使用。的計(jì)算資源供并行計(jì)算任務(wù)使用。 集群是一種造價(jià)低廉，易于構(gòu)筑，并且具有集群是一種造價(jià)低廉，易于構(gòu)筑，并且具有 較好可擴(kuò)展性的體系結(jié)構(gòu)。較好可擴(kuò)展性的體系結(jié)構(gòu)。 分布式分布式 集中式集中式 同構(gòu)同構(gòu) 異構(gòu)異構(gòu) 高性能機(jī)群（高性能機(jī)群（hp cluster） 高可用性機(jī)群（高可用性機(jī)群（ha cluster） 分類分類: 28 并行計(jì)算機(jī)技術(shù)與超級(jí)計(jì)算機(jī)并行

17、計(jì)算機(jī)技術(shù)與超級(jí)計(jì)算機(jī) 技術(shù)為多核計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)奠定了基技術(shù)為多核計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)奠定了基 礎(chǔ)，而集成電路技術(shù)的發(fā)展是多核礎(chǔ)，而集成電路技術(shù)的發(fā)展是多核 芯片得以實(shí)現(xiàn)的物理?xiàng)l件。芯片得以實(shí)現(xiàn)的物理?xiàng)l件。 29 處理器技術(shù)緊密地依托于集成電路技術(shù)的發(fā)處理器技術(shù)緊密地依托于集成電路技術(shù)的發(fā) 展而發(fā)展，集成電路的迅猛發(fā)展引發(fā)了多核技術(shù)展而發(fā)展，集成電路的迅猛發(fā)展引發(fā)了多核技術(shù) 的出現(xiàn)。的出現(xiàn)。 集成電路是采用半導(dǎo)體制作工藝，在一塊較集成電路是采用半導(dǎo)體制作工藝，在一塊較 小的單晶硅片上制造許多晶體管及電阻器、電容小的單晶硅片上制造許多晶體管及電阻器、電容 器等元器件，并按多層布線或隧道布線的方法將器等元器

18、件，并按多層布線或隧道布線的方法將 元器件組合成完整的電子電路。元器件組合成完整的電子電路。 30 集成電路比分立器件電路成本更低、更容易調(diào)試集成電路比分立器件電路成本更低、更容易調(diào)試 和應(yīng)用、更加可靠、更容易更換。和應(yīng)用、更加可靠、更容易更換。 集成電路的出現(xiàn)使得一塊芯片上可以集成更多的集成電路的出現(xiàn)使得一塊芯片上可以集成更多的 運(yùn)算和存儲(chǔ)單元，計(jì)算機(jī)的體積減小，成本降低。運(yùn)算和存儲(chǔ)單元，計(jì)算機(jī)的體積減小，成本降低。 摩爾定律摩爾定律-集成電路的集成度每集成電路的集成度每18個(gè)月翻一番。個(gè)月翻一番。 當(dāng)前集成電路已進(jìn)入特大規(guī)模（千萬個(gè)以上的元當(dāng)前集成電路已進(jìn)入特大規(guī)模（千萬個(gè)以上的元 器件）

19、階段，主流生產(chǎn)工藝達(dá)到器件）階段，主流生產(chǎn)工藝達(dá)到90nm，65nm和和 45nm。 摩爾定律不可能無限持續(xù)，若不能在設(shè)計(jì)原理、摩爾定律不可能無限持續(xù)，若不能在設(shè)計(jì)原理、 工藝技術(shù)和原材料方面有所突破，無法更大程度工藝技術(shù)和原材料方面有所突破，無法更大程度 地縮小晶體管的尺寸。地縮小晶體管的尺寸。 31 soc：20世紀(jì)世紀(jì)90年代中期，因使用年代中期，因使用asic（專用（專用 集成電路）實(shí)現(xiàn)芯片組受到啟發(fā)，萌生應(yīng)該將完集成電路）實(shí)現(xiàn)芯片組受到啟發(fā)，萌生應(yīng)該將完 整計(jì)算機(jī)所有不同的功能塊一次直接集成于一顆整計(jì)算機(jī)所有不同的功能塊一次直接集成于一顆 硅片上的想法。硅片上的想法。這種芯片，初始起

20、名叫這種芯片，初始起名叫system on a chip (soc)，直譯的中文名是，直譯的中文名是“系統(tǒng)級(jí)芯片系統(tǒng)級(jí)芯片”， 又稱又稱“片上系統(tǒng)片上系統(tǒng)”。 socipsopctolapai 介紹介紹4個(gè)概念：個(gè)概念： 32 隨著設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展，集成隨著設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展，集成 電路設(shè)計(jì)從電路設(shè)計(jì)從晶體管的集成晶體管的集成發(fā)展到發(fā)展到邏輯門邏輯門 的集成的集成，現(xiàn)在又發(fā)展到，現(xiàn)在又發(fā)展到ip的集成的集成，即，即 soc設(shè)計(jì)技術(shù)。設(shè)計(jì)技術(shù)。 soc可以有效地降低電子可以有效地降低電子/信息系統(tǒng)信息系統(tǒng) 產(chǎn)品的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，提高 產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，

21、是未來工業(yè)界將采用的產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，是未來工業(yè)界將采用的 最主要的產(chǎn)品開發(fā)方式。最主要的產(chǎn)品開發(fā)方式。 33 （1）soc應(yīng)由可設(shè)計(jì)重用的應(yīng)由可設(shè)計(jì)重用的ip核組成，核組成，ip核是核是 具有復(fù)雜系統(tǒng)功能的能夠獨(dú)立出售的具有復(fù)雜系統(tǒng)功能的能夠獨(dú)立出售的vlsi（超（超 大規(guī)模集成電路）塊；大規(guī)模集成電路）塊； （2）ip核應(yīng)采用深亞微米以上工藝技術(shù)；核應(yīng)采用深亞微米以上工藝技術(shù)； （3）soc中有至少一個(gè)的中有至少一個(gè)的mpu（微處理器（微處理器 ）、）、 mcu（微控制器（微控制器 ）、）、 dsp（數(shù)字信號(hào)處理器（數(shù)字信號(hào)處理器 ） 或其復(fù)合的或其復(fù)合的ip核。核。 這個(gè)定義雖然不是非常嚴(yán)格

22、，但明確地表明這個(gè)定義雖然不是非常嚴(yán)格，但明確地表明 了了soc的特征。的特征。 到底怎么準(zhǔn)確定義到底怎么準(zhǔn)確定義soc有著各種不同的說有著各種不同的說 法，在經(jīng)過了多年的爭(zhēng)論后，專家們就法，在經(jīng)過了多年的爭(zhēng)論后，專家們就soc的的 定義達(dá)成了一致意見：定義達(dá)成了一致意見： 34 ip（intellectual property）核：一種預(yù)先設(shè)計(jì)）核：一種預(yù)先設(shè)計(jì) 好的甚至已經(jīng)過驗(yàn)證的具有某種確定功能的集成好的甚至已經(jīng)過驗(yàn)證的具有某種確定功能的集成 電路、器件或部件。電路、器件或部件。 ip核有核有3種不同形式：軟核，硬核和固核。種不同形式：軟核，硬核和固核。 軟核軟核：通常是用某種：通常是用

23、某種hdl文本提交用戶，它已文本提交用戶，它已 經(jīng)過行為級(jí)設(shè)計(jì)優(yōu)化和功能驗(yàn)證，但其中不含經(jīng)過行為級(jí)設(shè)計(jì)優(yōu)化和功能驗(yàn)證，但其中不含 有任何具體的物理信息。有任何具體的物理信息。 毛坯毛坯 硬核硬核：具有和特定工藝相聯(lián)系的物理版圖，已：具有和特定工藝相聯(lián)系的物理版圖，已 有固定的拓?fù)洳季趾途唧w工藝，并已經(jīng)過工藝有固定的拓?fù)洳季趾途唧w工藝，并已經(jīng)過工藝 驗(yàn)證，具有可保證的性能。驗(yàn)證，具有可保證的性能。 成品成品 固核固核：設(shè)計(jì)深度介于軟核和硬內(nèi)核之間，除了：設(shè)計(jì)深度介于軟核和硬內(nèi)核之間，除了 完成軟核所有的設(shè)計(jì)外，還完成了門電路級(jí)綜完成軟核所有的設(shè)計(jì)外，還完成了門電路級(jí)綜 合和時(shí)序仿真等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。合

24、和時(shí)序仿真等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。 半成品半成品 35 從靈活性和可重用性來看：從靈活性和可重用性來看： 如果想付出少量勞動(dòng)、又不在乎高價(jià)：如果想付出少量勞動(dòng)、又不在乎高價(jià)： 硬核最好，軟核最差硬核最好，軟核最差 軟核最好，硬核最差軟核最好，硬核最差 ip核的選擇：核的選擇： 36 sopc（system-on-a-programmable-chip ） 是是soc和和pld（可編程邏輯器件可編程邏輯器件 ）的結(jié)合物。）的結(jié)合物。 sopc（可編程的系統(tǒng)芯片）：（可編程的系統(tǒng)芯片）： sopc技術(shù)是美國(guó)技術(shù)是美國(guó)altera公司于公司于2000年最早提出年最早提出 的，并同時(shí)推出了相應(yīng)的開發(fā)軟件的，并同時(shí)

25、推出了相應(yīng)的開發(fā)軟件quartus ii。 sopc是是soc和可編程邏輯技術(shù)的結(jié)合，與和可編程邏輯技術(shù)的結(jié)合，與 asic的的soc解決方案相比，解決方案相比，sopc系統(tǒng)及其開系統(tǒng)及其開 發(fā)技術(shù)具有更多的特色。例如，可裁減，可擴(kuò)充，發(fā)技術(shù)具有更多的特色。例如，可裁減，可擴(kuò)充， 可升級(jí)，并具有一定的系統(tǒng)可編程功能?？缮?jí)，并具有一定的系統(tǒng)可編程功能。 altera的的nios和和nios ii核是目前最有代表性的核是目前最有代表性的軟軟 核嵌入式系統(tǒng)處理器核嵌入式系統(tǒng)處理器之一。之一。 37 “tolapai”是英特爾針對(duì)企業(yè)級(jí)市場(chǎng)的是英特爾針對(duì)企業(yè)級(jí)市場(chǎng)的soc計(jì)劃，計(jì)劃， 也是企業(yè)級(jí)也是

26、企業(yè)級(jí)soc產(chǎn)品家族的第一款產(chǎn)品。產(chǎn)品家族的第一款產(chǎn)品。 tolapai集成了北橋和南橋，其中北橋擁有單通集成了北橋和南橋，其中北橋擁有單通 道道64-bitddr2內(nèi)存控制器、四通道內(nèi)存控制器、四通道dma控制器、控制器、 18條條pci-e通道通道(一個(gè)一個(gè)x2、兩個(gè)、兩個(gè)x4、兩個(gè)、兩個(gè)x1)，南，南 橋則支持兩個(gè)橋則支持兩個(gè)usb、兩個(gè)、兩個(gè)sata、兩個(gè)、兩個(gè)uart(通通 用異步串行收發(fā)接器用異步串行收發(fā)接器)、37個(gè)個(gè)gpio(通用輸入通用輸入/輸輸 出出)、timer(定時(shí)器定時(shí)器)、rtc(實(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)時(shí)時(shí)鐘)、wdt(看看 門狗定時(shí)器門狗定時(shí)器)等。等。 tolapai： 在

27、一枚英特爾架構(gòu)處理器中集成了多種關(guān)在一枚英特爾架構(gòu)處理器中集成了多種關(guān) 鍵系統(tǒng)組件。鍵系統(tǒng)組件。 38 39 一直以來，處理器芯片廠商都通過不斷一直以來，處理器芯片廠商都通過不斷 地提高主頻來提高處理器的性能。但隨著芯地提高主頻來提高處理器的性能。但隨著芯 片制造工藝的不斷進(jìn)步，從體系結(jié)構(gòu)來看，片制造工藝的不斷進(jìn)步，從體系結(jié)構(gòu)來看， 傳統(tǒng)的處理器體系結(jié)構(gòu)已面臨瓶頸，晶體管傳統(tǒng)的處理器體系結(jié)構(gòu)已面臨瓶頸，晶體管 的集成度已超過上億個(gè)，很難單純地通過提的集成度已超過上億個(gè)，很難單純地通過提 高主頻來提升性能，而主頻的提高也帶來功高主頻來提升性能，而主頻的提高也帶來功 耗的提高。耗的提高。 從應(yīng)用需

28、求來看，日益復(fù)雜的多媒體、從應(yīng)用需求來看，日益復(fù)雜的多媒體、 科學(xué)計(jì)算、虛擬化等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都呼喚更科學(xué)計(jì)算、虛擬化等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都呼喚更 為強(qiáng)大的計(jì)算能力。為強(qiáng)大的計(jì)算能力。 40 41 42 43 44 片上多核處理器（片上多核處理器（chip multi-processor， cmp）就是將多個(gè)計(jì)算內(nèi)核集成在一個(gè)處理）就是將多個(gè)計(jì)算內(nèi)核集成在一個(gè)處理 器芯片中，從而提高計(jì)算能力。器芯片中，從而提高計(jì)算能力。 按計(jì)算內(nèi)核的對(duì)等與否，按計(jì)算內(nèi)核的對(duì)等與否，cmp可分為同可分為同 構(gòu)多核和異構(gòu)多核：構(gòu)多核和異構(gòu)多核： 計(jì)算內(nèi)核相同，地位對(duì)等的稱為計(jì)算內(nèi)核相同，地位對(duì)等的稱為“同構(gòu)多核同構(gòu)多核”

29、 計(jì)算內(nèi)核不同，地位不對(duì)等的稱為計(jì)算內(nèi)核不同，地位不對(duì)等的稱為“異構(gòu)多異構(gòu)多 核核”，異構(gòu)多核采用異構(gòu)多核采用“主處理核協(xié)處理核主處理核協(xié)處理核” 的設(shè)計(jì)。的設(shè)計(jì)。 45 cpu核心之間的數(shù)據(jù)如何共享與同步？核心之間的數(shù)據(jù)如何共享與同步？ 1 總線共享總線共享cache結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 每個(gè)每個(gè)cpu內(nèi)核擁有共享的二級(jí)或三級(jí)內(nèi)核擁有共享的二級(jí)或三級(jí)cache， 用于保存比較常用的數(shù)據(jù)，并通過連接核心的用于保存比較常用的數(shù)據(jù)，并通過連接核心的 總線進(jìn)行通信。總線進(jìn)行通信。 2 基于片上互連的結(jié)構(gòu)：基于片上互連的結(jié)構(gòu)： 每個(gè)每個(gè)cpu核心具有獨(dú)立的處理單元和核心具有獨(dú)立的處理單元和cache， 各個(gè)各

30、個(gè)cpu核心通過交叉開關(guān)或片上網(wǎng)絡(luò)核心通過交叉開關(guān)或片上網(wǎng)絡(luò)（noc） 等方式連接在一起，通過消息通信。等方式連接在一起，通過消息通信。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，速度快；擴(kuò)展性差。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，速度快；擴(kuò)展性差。 帶寬有保證，可擴(kuò)展性好；結(jié)構(gòu)復(fù)雜。帶寬有保證，可擴(kuò)展性好；結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 46 47 inter-core bus interface memory controller hub i/o controller hub ddr2 memory pci express x16 6 pci 4 serial ata ports 6 pci express x1 high-definition audio 2 p

31、ci express x8 or dmi (2 gb/s) 1066 / 800 mhz fsb core 1 l2 cache (for core 1) core 0 l2 cache (for core 0) 6 usb 2.0 intel matrix storage bios support intel pro 1000 lan 48 49 80核處理器：核處理器： 50 51 52 bios是系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)之間的抽象是系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)之間的抽象 層，連接層，連接cpu、芯片組和操作系統(tǒng)的固件。、芯片組和操作系統(tǒng)的固件。 正在被以正在被以efi所取代！所取代！ 53 最早是最早是

32、intel開發(fā)的，旨在取代開發(fā)的，旨在取代bios，現(xiàn)，現(xiàn) 在由在由uefi組織來進(jìn)行開發(fā)。組織來進(jìn)行開發(fā)。 54 55 efi對(duì)多核支持：對(duì)多核支持： framework是一種固件的架構(gòu)，它是是一種固件的架構(gòu)，它是efi固固 件接口的一種實(shí)現(xiàn)。件接口的一種實(shí)現(xiàn)。tiano是是efi的一個(gè)具體實(shí)的一個(gè)具體實(shí) 現(xiàn)，符合現(xiàn)，符合efi規(guī)范接口實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范接口實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。 56 57 58 分配和調(diào)度：分配和調(diào)度： 多核處理器環(huán)境下操作系統(tǒng)的任務(wù)分多核處理器環(huán)境下操作系統(tǒng)的任務(wù)分 配調(diào)度是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。配調(diào)度是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。 操作系統(tǒng)的一個(gè)重要工作就是分配操作系統(tǒng)的一個(gè)重要工作就是分

33、配 和調(diào)度任務(wù)。和調(diào)度任務(wù)。 59 調(diào)度包括多個(gè)方面：調(diào)度包括多個(gè)方面： 負(fù)載不均衡時(shí)是否遷移任務(wù)？負(fù)載不均衡時(shí)是否遷移任務(wù)？ 如何保證負(fù)載均衡？如何保證負(fù)載均衡？ 如何調(diào)度實(shí)時(shí)任務(wù)和普通任務(wù)？如何調(diào)度實(shí)時(shí)任務(wù)和普通任務(wù)？ 一個(gè)進(jìn)程是否始終在一個(gè)核上運(yùn)行？一個(gè)進(jìn)程是否始終在一個(gè)核上運(yùn)行？ 是否采用一致的調(diào)度算法？是否采用一致的調(diào)度算法？ 每個(gè)核如何調(diào)度它上面的任務(wù)？每個(gè)核如何調(diào)度它上面的任務(wù)？ 新的任務(wù)分配給誰？新的任務(wù)分配給誰？ 采用單獨(dú)還是共同的就緒隊(duì)列采用單獨(dú)還是共同的就緒隊(duì)列? 60 目前，還沒有專門針對(duì)目前，還沒有專門針對(duì)cmp體系結(jié)構(gòu)的多體系結(jié)構(gòu)的多 核操作系統(tǒng)出現(xiàn)，缺乏成熟的核操作系統(tǒng)出現(xiàn)，缺乏成熟的cmp調(diào)度算法。調(diào)度算法。 雖然雖然windows和和linux可以作為可以作為cmp多核體多核體 系結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)，但是他們對(duì)多核的