嵌入式ARM多核處理器并行化優(yōu)化探究

目前，嵌入式多核處理器已經(jīng)在嵌入式設(shè)備領(lǐng)域得到廣泛運用，但嵌人式系統(tǒng)軟件開發(fā)技術(shù)還停留在傳統(tǒng)單核模式，并沒有充分發(fā)揮多核處理器的性能。程序并行化優(yōu)化目前在PC平臺上有一定運用，但在嵌入式平臺上還很少，另外，嵌入式多核處理器與PC平臺多核處理器有很大不同，因此不能直接將PC平臺的并行化優(yōu)化方法應(yīng)用到嵌人式平臺。本文分別從任務(wù)并行和緩存優(yōu)化兩方面進行并行化優(yōu)化的研究，探索在嵌人式多核處理器上對程序進行并行化優(yōu)化的方法。
　　1嵌入式多核處理器結(jié)構(gòu)
　　嵌人式多核處理器的結(jié)構(gòu)包括同構(gòu)（Symmetric）和異構(gòu)（Asymmetric）兩種。同構(gòu)是指內(nèi)部核的結(jié)構(gòu)是相同的，這種結(jié)構(gòu)目前廣泛應(yīng)用在PC多核處理器；而異構(gòu)是指內(nèi)部核的結(jié)構(gòu)是不同的，這種結(jié)構(gòu)常常在嵌入式領(lǐng)域使用，常見的是通用嵌入式處理器+DSP核。本文探究的嵌入式多核處理器采用同構(gòu)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)同一段代碼在不同處理器上的并行執(zhí)行。
　　
　　圖1 ARM SMP處理器結(jié)構(gòu)
　　在目前嵌入式領(lǐng)域中，使用最為廣泛的為ARM處理器，因此以ARM雙核處理器OMAP4430作為研究對象。ARM對稱多處理（Symmetric Multi-Processing，SMP）結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)程序的局部性原理，每一個處理器都具有私有的內(nèi)存（Local Memory），常見的是一級緩存（L1Cache）。然而，多個處理器之間又涉及到相互通信問題，因此在常見的ARM處理器中使用二級緩存（L2 Cache）來解決這一問題?；趯ΨQ多處理器結(jié)構(gòu)，所有的處理器（通常為2的倍數(shù)）在硬件結(jié)構(gòu)上都是相同的，在使用系統(tǒng)資源上也是平等的。更重要的是，由于所有的處理器都有權(quán)利去訪問相同的內(nèi)存空間，在共享內(nèi)存區(qū)域中，任何一個進程或者線程都可以運行在任意一個處理器之上，這樣就使得程序的并行化成為可能。2在嵌入式多核平臺上進行并行化優(yōu)化，需要考慮以下問題：
　?、俨⑿谢绦虻男阅苋Q于程序中串行化部分，程序性能不會隨著并行線程數(shù)目的提升而不斷提升；
　?、谇度胧蕉嗪颂幚砥飨鄬τ赑C處理器而言，其總線速度較慢，并且緩存（Cache）更小，會造成大量數(shù)據(jù)在內(nèi)存（Memory）和緩存（Cache）問不斷拷貝，因此在進行并行化優(yōu)化的過程中，應(yīng)考慮緩存友好性（Cache friendly）；
　?、鄢绦虿⑿谢瘓?zhí)行線程數(shù)目應(yīng)當(dāng)小于或等于物理處理器的數(shù)目，線程過多會造成線程間搶占處理器資源，致使并行化性能下降。
　　2 OpenMP并行化優(yōu)化
　　2.1 0penMP工作原理簡介
　　OpenMP是一個基于共享內(nèi)存模式的跨平臺多線程并行的編程接口。主線程生成一系列的子線程，并將任務(wù)映射到子線程進行執(zhí)行，這些子線程并行執(zhí)行，由運行時環(huán)境將線程分配給不同的物理處理器。默認情況下，各個線程獨立執(zhí)行并行區(qū)域的代碼?？梢允褂脀ork-sharingconstructs來劃分任務(wù)，使每個線程執(zhí)行其分配部分的代碼。通過這種方式，使用OpenMP可以實現(xiàn)任務(wù)并行和數(shù)據(jù)并行。
　　
　　圖2任務(wù)并行模型
　　任務(wù)并行模式創(chuàng)建一系列獨立的線程，每一個線程運行一個任務(wù)，線程之間相互獨立，如圖2所示。OpenMP使用編譯原語session directive和task directive來實現(xiàn)任務(wù)分配，每個線程可以獨立運行不同的代碼區(qū)域，同時支持任務(wù)的嵌套和遞歸。一旦創(chuàng)建任務(wù)，該任務(wù)就可能會在線程池（其大小等于物理線程數(shù)目）中空閑的線程上執(zhí)行。