多核研究平台CMC总线的设计与实现学士学位论文1文档格式.docx

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关键字：

多核处理器；

核间通信；

CMC总线

　　　　Abstract

Alongwiththeadvanceofhumansociety,aswellastherapiddevelopmentofcomputerhardware,theemergenceofmulti-coreprocessorsisthetrendofTheTimes!

Intheprocessofthedevelopmentofinformationindustry,single-coreprocessorhasexposedmanylimitations,multi-coreprocessorhasbroughtgreatchangestopeople,bringmoreproductivityadvantageandsuperiorperformance.Withtheneedsofthedevelopmentofthecurrentmarketeconomy,peopleofprocessorspeed,thebusinesscomputingmarketvalue,applicationprospect,powerconsumptionandsoonperformancerequiresfurtherimprovement.Multi-coreprocessorcombinesthedevelopmenttrendofthefuture,multi-coreprocessorswillbecomethemainstreamofthenextgenerationofserversandpersonaloperationplatform,therefore,ofmulti-coreprocessorsrelatedtechnologyresearchhasveryimportantsignificance.

TheCMC（Core-Memory-Core）busprovidesanefficientsolutionfortheinter-corecommunicationinthemulti-coreprocessorormany-coreprocessor．Thesingle-coreprocessorhasbeenreplacedbythemulti-coreprocessorwithitsadvantages．Therearemanykeytechnologiesinthearchitectureofmulti-coreprocessortobesolved，includingtheinter-corecommunication．Thisarticlediscussessomeadvantagesanddisadvantagesofcurrentinter-corecommunicationtechnologiesinthemulti-coreprocessor，sowedesigntheCMCbus．

Keywords:

multi-coreprocessor;

inter-corecommunication；

CMCbus

1绪论

1.1课题研究背景和意义

CMC（CoreMemoryCore）总线是为多核处理器或众核处理器的内部通信设计的一种高效解决方案。

讨论了目前多核处理器中使用的核间通讯技术，分析了优缺点，在此基础上提出了CMC总线。

CMC总线的设计目标为只需一根握手信号线，简单的硬件逻辑，并为软件提供必要的控制接口。

在C++上实现多核的CMC总线，验证该总线作为一种高效的多核处理器核间通信方案的可行性。

1.2国内外研究现

核间通信技术中共享总线与交叉开关两种结构都易于设计实现，软件开销较小。

交叉开关是多通道的数据传输，相比于单通道的共享总线互联结构具有更大的访问带宽。

但是实现交叉开关需占用更多的片上面积。

随着多核系统中核的数目不断增加，等待时间变长，多核处理器的软件开销加大。

共享总线与交叉开关结构只适合于核数较多的多核处理器，对于未来众核处理器会形成性能瓶颈。

NoC结构使得未来多核处理器的各个核可以通过更灵活的方式交换数据，从而避免了集中的互连设计带来的系统性能瓶颈。

这种方式避免了共享总线单一通道的瓶颈和交叉开关固定通道的瓶颈，提高了通道的利用效率，但其代价是大幅增加了软件开销。

能运行，但是对核的时间占用太大。

NoC占用过多的L1Cache空间和软件时间，不适合于众核处理器的底层通信。

对上述三种通信架构进行了性能的折衷，提出了一种新型的多核处理器内部核间通信总线—CMC总线。

CMC总线两个核共用一个存储器，该总线特点是用了一根OC门的握手线，实现两个核的握手协议，简单的硬件逻辑，并为软件提供必要的控制接口，可实现多核处理器核间的高效通信。

1.3课题主要内容

该设计模仿一根OC门的握手线，实现两个核的握手协议，给多核研究平台提供一个仿真核间通信手段。

CMC总线设计目标为一根握手信号，编写读写程序，设计多核系统的CMC功能模块，在C++上实现多核的CMC总线，验证该总线作为一种高效的多核处理核间的通信方案的可行性。

2多核处理器介绍

2.1多核技术介绍

2.1.1多核技术的定义

在当代由于社会的进步，社会需求的不断加大，面对市场规模的不断提高，业务需求的不断提高，高性能的计算机成为了一种必不可少的数据处理工具。

但由于单核多线程已经无法满足目前需求，随之在计算机领域也应运而生了一门新兴的科技——多（内）核技术。

多内核是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎（内核）。

最为显著的是多核处理器技术，它也是CPU设计中的一项先进技术。

它把两个以上的处理器核集成在一块芯片上，以增强计算性能。

CMP通过在多个CPU核上分配工作负荷，并且依靠到内存和输入输出（I/O）的高速片上互联和高带宽管道对系统性能进行提升。

2.1.2多核技术的产生

40多年前，Intel的创始人戈登摩尔先生根据计算机处理器发展的规律，总结出了至今在计算机硬件领域中非常著名的摩尔定律：

“电脑芯片上的晶体管的数量每18个月将翻一番”。

在芯片设计和制造工艺上，几乎到了极限，CPU的运算能力无法再通过增加晶体管的数量来提高了。

在这种情况之下，CPU的制造商必须要用新的方式来提高计算机的运算能力，于是就有IBM、Sun公司利用计算机理论的并行计算设计出了多核CPU。

2.1.3多核技术的现状和前景

自从多核技术新兴以来，各行各业都给予了很高的支持。

教育方面，全国有120多家高校开设了多核技术或者并行计算这门课。

为了以后的并行程序的设计而服务。

在商业反面，很多大型公司，很多网络游戏的代理公司都花了巨资来支持研发超级计算机，来提高他们的竞争水平。

很多媒体纷纷及时播报关于多核技术的发展状况。

及时提供给社会有关人士研究。

很多大型企业已经开始培养并行程序开发，超级计算机使用的人才。

1993年，德国曼海姆大学汉斯、埃里克等人发起创建了全球超级计算机TOP500排名榜，从很大程度上促进了多核技术的发展……

多核技术使得计算机领域从“山重水复疑无路，柳暗花明又一村。

”的窘境。

当单核的发展已经进入死胡同时，各CPU厂家也开始改变设计典范，未来所有微处理器皆朝多核心设计发展为主流，传统型单一核心处理器将退居二线。

关于双核心，我想不必再解释了，大家耳熟能详，从ALTHON64X2系列的横空出世，到现在的酷睿傲视群雄，再到双核安腾2的发布，双核心已经是目前市场的主流产品。

在服务器领域，双核心处理器以其卓越的性能，更低的成本也被大多数企业接受。

从软件的设计角度来说，双核/多核也改变了一些就有的思路。

nVIDIA首席科学家DavidKirk曾抱怨多核心处理器给游戏开发人员带来了巨大的编程困难。

而INTEL在发展硬件的同时，也在软件上做出了相应的改进。

在2007年的多核应用暨Intel服务器平台大会上，英特尔数字企业集团副总裁兼服务器平台事业部总经理KirkSkaugem先生表示：

“英特尔实际上是全世界最大的软件工具的公司，我们不仅是一个硬件公司，要想优化你们的多核，不优化就不能实现所有的性能，如果大家上我们的网站可以看到，我们的未来不仅仅停留于四核，未来会变成几十个核，甚至更多，所以我们在软件方面会进一步优化。

”由此可知Intel公司已经在多核技术方面做好了充分的准备，这也必将导致多核技术将成为主流。

今年初，在由英特尔网络部主办，CSDN协办的英特尔多核平台编程

优化大赛中，涌现出大量优秀的作品，充分的利用了双核/多核对于多线程和并行计算技术，使得代码运送速度大大提升。

事实证明，最新的多核心、超线程编程工具，可以为开发人员提供丰富的资源以供利用，只有摒弃守旧的工作习惯，尽快改变观念，跟上时代的进步，多核心、超线程编程并不会成为不可逾越的障碍。

2.2多核处理器

2.2.1单核处理器的局限性

传统的单核处理器相对于双核处理器有较多生产、加工、性能、使用等等方面的限性，双核处理器在各项预算的前提下，才是用户理想的选择。

下面我们分析一下，单核处理器的局限性主要表现的几个方面：

1）主频低

CPU厂商正在努力把主频提高到4GHZ甚至更高，其实已经到了工艺加工极限，实现起来是不可能达到的。

而且造成巨大的生产成本，其成品性价比也非常低。

已经没有什么使用价值。

2）双核处理器性价比极高

在单核处理器系统中，单一线程中已经不太可能提高更多的并行性。

简单点说就是传统单核处理器的是一个通道，双核处理器是两个通道，处理速度比传统快。

而且，生产成本也相对较低。

目前，双核处理器的价格已经很便宜了，用户理想的选择当然是双核，而非单核处理器。

3）系统所能耗问题现象突出

目前，相对于传统的单核处理器来说，如果仅仅提升处理主频，其发热量非常大，将消耗非常大的功率，那么其散热量也就不行了，没有足够大，足够强的冷去风扇，使处理器正常稳定地工作。

4）对大型功能需求处理能力低

随着当前对大型数据库、政府、企业、军事、通信要求高性能处理能力芯片，单核处理器已经表现得不能为力，而且已经显现了巨大的缺陷，达不到理想的使用效果。

2.2.2多核处理器的提出

上一节已经讲到：

随着单核CPU在处理系统能力上，体现出来的性能瓶颈，并暴露出许许多多