1.3.2_片上多核处理器体系结构1).pdf

1.3.2 片上多核处理器体系结构 片上多核处理器（Chip Multi-Processor，CMP）就是将多个计算内核集成在一个处理器芯 片中，从而提高计算能力。 按计算内核的对等与否，CMP 可分为同构多核和异构多核。计算内核相同，地位对等的称 为同构多核，现在 Intel 和 AMD 主推的双核处理器，就是同构的双核处理器。计算内核不 同，地位不对等的称为异构多核，异构多核多采用“主处理核+协处理核”的设计，IBM、索 尼和东芝等联手设计推出的 Cell 处理器正是这种异构架构的典范。处理核本身的结构，关 系到整个芯片的面积、功耗和性能。怎样继承和发展传统处理器的成果，直接影响多核的 性能和实现周期。同时，根据 Amdahl 定理，程序的加速比受制于串行部分的比例和性能， 所以，从理论上来看似乎异构微处理器的结构具有更好的性能。 CMP 处理器的各 CPU 核心执行的程序之间需要进行数据的共享与同步，因此其硬件结构 必须支持核间通信。高 效 的 通信机制是 CMP 处理器高性能的重要保障，目前比较主流的片 上高效通信机制有两种，一种是基于总线共享的 Cache 结构，一种是基于片上的互连结构。 总线共享 Cache 结构是指每个 CPU 内核拥有共享的二级或三级 Cache，用于保存比较常用 的数据，并通过连接核心的总线进行通信。这种系统的优点是结构简单，通信速度高，缺 点是基于总线的结构可扩展性较差。 基于片上互连的结构是指每个 CPU 核心具有独立的处理单元和 Cache，各个 CPU 核心通过 交叉开关或片上网络等方式连接在一起。各个 CPU 核心间通过消息通信。这种结构的优点 是可扩展性好，数据带宽有保证；缺点是硬件结构复杂，且软件改动较大。 如何有效地利用多核技术，对于多核平台上的应用程序员来说是个首要问题。客户端应用 程序开发者多年来一直停留在单线程世界，生产所谓的“顺序软件”，但是多核时代到来的 结果是软件开发者必须找出新的开发软件的方法，选择程序执行模型。程序执行模型的适 用性决定多核处理器能否以最低的代价提供最高的性能。程序执行模型是编译器设计人员 与系统实现人员之间的接口。编译器设计人员决定如何将一种高级语言程序按一种程序执 行模型转换成一种目标机器语言程序；系统实现人员则决定该程序执行模型在具体目标机 器上的有效实现。当目标机器是多核体系结构时，产生的问题是：多核体系结构如何支持 重要的程序执行模型？是否有其他的程序执行模型更适于多核的体系结构？这些程序执行 模型能多大程度上满足应用的需要并为用户所接受？