芯片级多线程处理器的操作系统调度研究

随着芯片级多线程（CMT）处理器体系结构的迅速发展,操作系统必须采用新型CMT调度,以发挥其体系结构的性能优势。分析CMT调度面临的问题,通过扩展调度域的层次和结构支持CMT处理器内部的负载均衡,利用协同调度避免cache抖动等问题。采用效率、效率瓦特比和公平性等多种指标对操作系统进行性能评价,证明其性能得到优化。     

龙芯2号同时多线程处理器的软硬件接口设计

随着生产工艺的提高,芯片上能集成越来越多的晶体管,多线程技术也逐步成为一种主流的处理器体系结构技术,而多线程处理器的软硬件接口也就成为急需解决的问题.在分析同时多线程的软件需求的基础上,提出龙芯2号同时多线程处理器的软硬件接口协同设计解决方案,给出相应的操作系统实现方案.同时,在Linux 2.4.20的基础上实现了龙芯2号同时多线程处理器相应的操作系统.通过运行SPEC CPU2000等测试程序进行性能评测,充分说明实现软硬件接口的龙芯2号同时多线程处理器极大地提高了多进程负载的性能.分析和设计方案不仅适用于同时多线程处理器,而且对于片内多核处理器的设计也有借鉴作用.     

基于多核的多线程程序优化研究

随着主流芯片厂商的大力推广,多核处理器已经变得越来越普及.以往串行化的程序设计方法在多核环境下已经不能充分利用多核CPU的资源.怎样高效地利用多核处理器的计算性能,已经成为软件开发者面临的新的课题.文中在传统的多线程编程基础上,根据Intel处理器的微架构(Microarchitecture)特点,以及Linux内核提供的CPU绑定技术,通过采用Cache优化和CPU亲和力(CPU affinity)优化,消除了多核环境下局部多线程Cache行竞争和伪共享,减少了线程的调度开销,提高了多线程程序的运行效率.     

龙芯2号处理器的同时多线程设计

提出了适合龙芯2号处理器的同时多线程处理器模型,并介绍了具体的微体系结构设计以及相应的Linux操作系统的实现方案.通过在设计的龙芯2号同时多线程处理器上启动Linux操作系统,并运行应用程序,例如SPEC CPU2000,进行性能评测.结果表明,龙芯2号同时多线程处理器通过挖掘线程级并行性,将龙芯2号处理器的性能提高了31.1%.     

IXP1200网络处理器多层次并行机制研究

主要对千兆通讯的网络处理芯片IXP1200网络处理器进行研究和分析,着重探讨和研究其先进的多级并行设计机制.主要从体系结构和并行设计技术两个角度对IXP1200网络处理器的数控分层和多层次并行等设计机制进行了介绍.突出了其利用多线程、多处理器的先进设计结构来优化设计、提高处理速度的设计理念和实现过程,并在最后进一步详细讨论了如何利用特定微码指令来实现IXP1200网络处理器的指令并行和多线程并行的程序调度方法和设计技术.     

用CMT技术加速虚拟化——访Sun公司大中华区企业系统事业部总监吴坚申

借助CMT(芯片多线程)技术,Sun将不断强化其处理器的并行多线程处理能力,让它与Solaris操作系统搭配,为虚拟化技术及应用的推进提供更好的性能支持。     

面向动态异构多核处理器的公平调度算法

动态异构多核处理器的处理器核可动态调整的特征给操作系统调度算法带来了新的机遇和挑战.利用处理器核动态可调整的特征能更好地适应不同任务的运行需求,带来巨大的性能优化空间.然而也带来新的代价和更复杂的公平性的计算.为了解决面向动态异构多核处理器结构上的公平性调度问题,提出了一个基于集中式运行队列的调度模型,以降低调度算法在动态处理器核变化所带来的维护开销.并重新思考在动态异构处理器结构下公平性的定义,基于原有CFS调度算法提出新的HFS调度算法.HFS调度算法不仅能简单而有效地利用动态异构多核处理器的性能优势,而且能提供在动态异构多核处理器上的公平性调度.通过模拟SCMP,ACMP,DHCMP平台,证明了提出的HFS调度算法能够很好地发挥DHCMP结构的性能特征,比运行目前主流调度算法的SCMP和ACMP结构提升10.55%的用户级性能(ANTT),14.24%的系统吞吐率(WSU).     

IXP1200网络处理器多层次并行机制研究

主要对千兆通讯的网络处理芯片IXP1200网络处理器进行研究和分析，着重探讨和研究其先进的多级并行设计机制。主要从体系结构和并行设计技术两个角度对IXP1200网络处理器的数控分层和多层次并行等设计机制进行了介绍。突出了其利用多线程、多处理器的先进设计结构来优化设计、提高处理速度的设计理念和实现过程，并在最后进一步详细讨论了如何利用特定微码指令来实现IXP1200网络处理器的指令并行和多线程并行的程序调度方法和设计技术。     

基于同构多核处理器的任务调度

随着现代应用对计算机性能要求的提高,计算机主频不断提升。由于功耗和半导体工艺的限制,仅靠提高单核主频难以继续维持“摩尔定律”,同构多核处理器（Homogeneous Multi-core）应运而生。在同构多核处理器的支持下,一个芯片汇集多个地位对等、结构相同的通用处理器核,以最小的代价满足了提高系统性能、负载均衡、处理器容错的需要。并行体系结构需要结合与之适应的软件实现性能效益的倍增。本文从操作系统层面,针对处理器结构的变化,研究并实现多核任务调度。系统采用混合调度策略,簇间独立调度,簇内统一调度。从调度模式、调度算法、分配算法、调度时机等方面详细分析了多核调度的原理和实现机制。最后通过模拟实验证明功能正确性及算法可调度性。     

基于共享Cache多核处理器的Hash连接优化

针对目前主流的多核处理器,研究了基于共享缓存多核处理器环境下的数据库Hash连接优化.首先提出基于Radix-Join算法的Hash连接多线程执行框架,通过实例分析了影响多线程Radix-Join算法性能的因素.在此基础上,优化了Hash连接多线程执行框架中的各种线程及其访问共享Cache的性能,优化了聚集连接时Hash连接算法的内存访问,并分析了多线程聚集划分的加速比.基于开源数据库INGRES和EaseDB,实现了所提出的连接多线程执行框架,在实验中测试了多线程Hash连接框架的性能.实验结果表明,该算法可以有效解决Hash连接执行时共享Cache在多线程条件下的访问冲突和处理器负载均衡问题,极大地提高了Hash连接性能.     

A continuation-based noninterruptible multithreading processor architecture

Current trend of research on multithreading processors is toward the chip multithreading (CMT), which exploits thread level parallelism (TLP) and improves performance of softwares built on traditional threading components, e.g., Pthread. There exist commercially available processors that support simultaneous multithreading (SMT) on multicore processors. But they are basically based on the conventional sequential execution model, and execute multiple threads in parallel under the control of OS that handles interruptions. Moreover, there exist few languages or programming techniques to utilize the multicore processors effectively. We are taking another approach to develop a multithreading processor, which is dedicated to TLP. Our processor, named Fuce, is based on the continuation-based multithreading. A thread is defined as a block of sequentially ordered instructions which are executed without interruption. Every thread execution is triggered only by the event called continuation. This paper first introduces the continuation-based multithread execution model and its processor architecture then gives multithreaded programming techniques and the continuation-based multithreading language system CML. Last, the performance of the Fuce processor is evaluated by means of the clock-level software simulation.     

龙芯3A多核处理器系统级性能优化与分析

多核处理器的性能与系统软件有着密切的联系:操作系统是处理器与应用程序之间的接口,对于充分利用处理器特性和提高应用程序的性能起着极其重要的作用;编译器与处理器体系结构密切相关,一方面要产生处理器支持的二进制代码,另一方面还要结合处理器特性产生高效运行的代码,其性能好坏直接影响着系统的整体性能.为了提高龙芯3A系统的实际性能,从操作系统和编译器着手,结合龙芯3A微结构特征,进行了一系列有效的优化.这些措施包括CC-NUMA多核操作系统的实现、操作系统二级Cache锁机制、操作系统调度共享二级Cache分配、自动向量化编译和支持预取机制的编译等.实验结果表明,在系统软件中增加对处理器特性的支持,能够充分挖掘体系结构的优势,对系统性能有较大的好处.其性能优化技术对于其他处理器的优化也有一定的借鉴价值.     

Data and Workload Distribution in a Multithreaded Architecture

Matching data distribution to workload distribution is important in improving the performance of distributed-memory multiprocessors. While data and workload distribution can be tailored to fit a particular problem to a particular distributed-memory architecture, it is often difficult to do so for various reasons including complexity of address computation, runtime data movement, and irregular resource usage. This report presents our study on multithreading for distributed-memory multiprocessors. Specifically, we investigate the effects of multithreading ondatadistribution andworkloaddistribution withvariable, thread granularity. Various types of workload distribution strategies are defined along with thread granularity. Several types of data distribution strategies are investigated. These include row-wise cyclic,k-way partial-row cyclic, and blocked distribution. To investigate the performance of multithreading, two problems are selected: highly sequential Gaussian elimination with partial pivoting and highly parallel matrix multiplication. Execution results on the 80-processor EM-4 distributed-memory multiprocessor indicate that multithreading can off set the loss due to the mismatch between data distribution and workload distribution even for sequential and irregular problems while giving high absolute performance.     

CMT模拟器的设计与实现

片上多线程(CMT)是未来高性能处理器的发展方向，而软件模拟是处理器体系结构研究和设计中不可或缺的技术手段。该文基于SimpleScalar工具集设计并实现了CMT节拍级模拟器——OpenSimCMT，对CMT体系结构的设计和评测提供支持。OpenSimCMT特点如下：(1)支持同时多线程(SMT)和片上多处理器(CMP)的模拟；(2)架构开放，配置灵活，可根据具体研究目标随时进行扩展，添加新的模拟内容及相关统计；(3)功能全面，对线程间资源竞争与共享、各功能单元、流水段、分支预测、多级cache等全方位模拟，模拟结果准确。     

同时多线程技术

同时多线程技术结合了超标量处理器与多线程处理器两者的优点,通过增加很少的硬件资源,把一个物理核映射为多个逻辑核,成为一种研制高性能处理器的重要途径.重点介绍了同时多线程处理器出现的原因、优点、基本组成结构、当前的研究成果及影响,并探讨了当前同时多线程技术的发展趋势.     

低功耗SMT体系结构研究

由于应用程序中ILP和TLP的不足或不均衡性，使得超标量和多处理的性能和资源用率受到了挑战；而同时多线程（SMT）处理器则是一种能够充分利用资源，动态进行TLP到ILP转换的能量有效结构。文章围绕高性能、低功耗这两个目标讨论和探究了WMT体系结构的基本思想、设计技术、低功耗考虑了以及编译器和操作系统设计应注意和对待的新问题。     

超标量处理器中引入SMT技术的性能分析研究

同时多线程（SMT）是一种允许多个独立的线程每周期发射多条指令的技术,这种技术充分利用了可能存在的指令级并行和线程级并行,提高了有限资源的利用率。文章以西北工业大学航空微电子中心自主研发的32位超标量处理器“龙腾R2”为基础,引入SMT技术,在基本不改变内部结构大小、不增加执行功能部件、仅做一些必要修改的前提条件下进行研究。通过仿真不同的线程数和各种线程组合,进行性能分析。尽管存在制约性能提升的一些因素,引入SMT技术后依然获得了最高约50%的性能增加。