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嵌入式ARM多核处理器并行化方法

? 2014年12月16日 14:43 ? 次阅读

  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。

  嵌入式ARM多核处理器并行化方法

  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。

  嵌入式ARM多核处理器并行化方法

  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。

  嵌入式ARM多核处理器并行化方法

  图3 数据并行模型

  2.2 快速排序算法原理

  快速排序算法是一种递归分治算法,算法中最为关键的就是确定哨兵元素(pivot data)。数据序列中小于哨兵的数据将会放在哨兵元素的左侧,序列中大于哨兵的数据将会被放在哨兵元素的右侧。当完成数据扫描后,哨兵元素分成的左右两个部分就会调用快速排序算法递归进行。

  快速排序算法中涉及算法的递归调用,会产生大量任务,并且这些任务相互独立,非常适合OpenMP 的任务并行模式;另外,就一次快速排序搜索算法而言,哨兵元素对于左右子区间数据容量大小具有决定性作用,考虑到嵌入式平台的缓存(Cache)空间较小,需要对哨兵元素筛选算法进行优化,尽量使得划分出来的左右子区间更均衡,满足负载均衡的要求。

  2.3 任务并行化优化

  通过对快速排序算法的分析,快速排序是一个递归调用算法,算法的执行过程中会产生大量重复函数调用,并且函数的执行相互独立。对于快速排序的一次扫描运算而言,算法首先确定哨兵元素(pivot),并对数据序列进行一次调整,然后对哨兵元素的左右区间再次进行递归调用算法。

  如下所示,对任务并行化优化针对每次扫描调整后的左右子区间,将每个子区间的运算抽象为一个任务,并通过OpenMP中的任务并行化原语#pragma omp task实现任务的并行化执行,从而实现了快速排序的任务并行化优化。

  嵌入式ARM多核处理器并行化方法

  嵌入式ARM多核处理器并行化方法

  任务空间中的数据大小取决于哨兵元素,因此,算法选取的划分算法(ParTItion Algorithm)应尽量将数据序列的划分均衡化,本文使用简单划分算法和三元中值法(Median-of-Three Method)进行测试。

  更多嵌入式设计资料,可进入由电子发烧友荣誉出品的物联网核心技术之ARM技术专题

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发表于 2018-03-11 09:58 ? 120次阅读
处理器一条指令需要几个时钟周期

arm重塑中端智能机图像性能

目前在移动世界发生了什么变化呢?消费者的使用行为发生了变化,智能手机已成为打通人类通向世界的网关。a...

发表于 2018-03-11 09:38 ? 538次阅读
arm重塑中端智能机图像性能

大师教你如何制作一个简单的16位CPU

与mv指令类似,mvi指令也将一个数据送入Rx当中,只不过这次的数据存在指令当中,是立即数,所以Rx...

发表于 2018-03-09 14:23 ? 868次阅读
大师教你如何制作一个简单的16位CPU

Arm推出图像处理器Mali多媒体套件 为用户提...

继承Mali-G51的优点,Mali-G52可从容应对更高的图形复杂度,允许在主流移动系统的功率和带...

发表于 2018-03-09 08:44 ? 150次阅读
Arm推出图像处理器Mali多媒体套件 为用户提...

5分钟芯闻 | 今年7月1日前取消流量漫游费;大...

发表于 2018-03-08 10:54 ? 765次阅读
5分钟芯闻 | 今年7月1日前取消流量漫游费;大...

打造Zynq平台性价比标杆,米尔强势推出MYC-...

近期米尔电子基于Zynq-7010处理器及Zynq-7007S处理器推出了MYC-Y7Z010/00...

发表于 2018-03-07 10:47 ? 2295次阅读
打造Zynq平台性价比标杆,米尔强势推出MYC-...

Arm重磅发布Mali多媒体套件 打造震撼视觉新...

3月6日,为提供满足新一代体验需求的创新解决方案,Arm今日宣布推出包含全新的视频、显示和图像处理器...

发表于 2018-03-07 10:44 ? 2493次阅读
Arm重磅发布Mali多媒体套件 打造震撼视觉新...

Ampere 也开始造ARM芯片,冲击老东家In...

日前,一则英特尔前总裁投身ARM服务器芯片领域,叫板老东家的新闻在业内掀起了轩然大波。

发表于 2018-03-06 16:46 ? 773次阅读
Ampere 也开始造ARM芯片,冲击老东家In...

CPU、MCU、FPGA、SoC芯片

目前世界上有两种文明,一种是人类社会组成的的碳基文明,一种是各种芯片组成的硅基文明。

发表于 2018-03-05 15:34 ? 736次阅读
CPU、MCU、FPGA、SoC芯片

Arm推Mbed Cloud平台为受限制设备提供...

数百万需要连接至物联网的设备可能由于成本问题、缺少代码空间和处理能力而受限。但其有限的计算资源仍能满...

发表于 2018-03-05 15:22 ? 119次阅读
Arm推Mbed Cloud平台为受限制设备提供...

MWC2018未来旗舰处理器预测 骁龙845是...

每一代的骁龙800系列移动平台都集创新设计和强大功能于一身,其所带来的性能和功效均超乎想象,它不但赋...

发表于 2018-03-02 16:24 ? 582次阅读
 MWC2018未来旗舰处理器预测 骁龙845是...

国际嵌入式系统论坛议程公布,工业物联网与物联网安...

随着网络经济的发展和智能社会的快速推进,有工业物联网形成的安全问题日益突显、迅速放大,甚至将成为改变...

发表于 2018-03-02 11:09 ? 536次阅读
国际嵌入式系统论坛议程公布,工业物联网与物联网安...

有51基础很容易入门ARM是真的吗

有51基础很容易入门ARM是真的吗?从51到ARM,这路怎么走?

发表于 2018-03-01 16:55 ? 563次阅读
有51基础很容易入门ARM是真的吗

苹果芯片领域的筹谋 高通、三星都在局中

在芯片领域很多人都在猜测苹果布了一个“王炸之局”,高通、三星等都在苹果的布局之中。苹果不仅拔得 64...

发表于 2018-02-28 10:16 ? 235次阅读
苹果芯片领域的筹谋 高通、三星都在局中

e-SIM新技术在可穿戴设备领域的使用是否可行?

SIM卡是移动通讯必备的产品,包含用户辨识码IMSI、鉴权密钥KI、手机号码等重要信息,但是虚拟SI...

发表于 2018-02-27 11:27 ? 218次阅读
e-SIM新技术在可穿戴设备领域的使用是否可行?

虚拟SIM卡归来被重视 能否革了运营商的命

据报道,ARM再度公布虚拟SIM卡解决方案—iSIM引起众人关注,iSIM卡则是eSIM卡的升级版,...

发表于 2018-02-27 08:55 ? 143次阅读
虚拟SIM卡归来被重视 能否革了运营商的命

高通推处理器AI引擎 GPU和DSP组件首先启用

目前,大多数移动机器学习(ML)任务(如图像或语音识别)都在云中执行。智能手机将数据发送到云端,并将...

发表于 2018-02-26 19:47 ? 245次阅读
高通推处理器AI引擎 GPU和DSP组件首先启用

中科院和阿里云发布11比特的云接入超导量子处理器

量子计算具有划时代意义,近日报道中科院阿里云发布11比特云超导量子处理器,不仅能用于了解处理器的性能...

发表于 2018-02-26 12:03 ? 197次阅读
中科院和阿里云发布11比特的云接入超导量子处理器

基于ARM的LED自适应调光系统设计

本文主要介绍了基于ARM的LED自适应调光系统设计。LED的亮度与正向流过它的电流成正比,可以调节正...

发表于 2018-02-26 10:08 ? 371次阅读
基于ARM的LED自适应调光系统设计

联发科反击战打响 P系列处理器决战2018

今年的联发科将会迎来不一样的发展,将改去年的萎靡,上演一场精彩的反扑大戏。据悉联发科的订单将从今年3...

发表于 2018-02-24 14:49 ? 549次阅读
联发科反击战打响 P系列处理器决战2018

Arm公布Project Trillium提供业...

Arm公司近期宣布了其Project Trillium项目,这是一套包括新的高度可扩展处理器的Arm...

发表于 2018-02-24 12:58 ? 1854次阅读
Arm公布Project Trillium提供业...

ARM发布两款针对移动终端的AI芯片架构:物体检...

ARM发布了两款针对移动终端的AI芯片架构,物体检测(Object Detection,简称OD)处...

发表于 2018-02-23 11:59 ? 2301次阅读
ARM发布两款针对移动终端的AI芯片架构:物体检...
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