異構多核處理器體系結構分析

開磊

（安徽省合肥市安徽新華學院國際教育學，安徽 合肥 230088）

一、核結構研究：同構還是異構

多核處理器包括異構、同構兩大類型，其中內部核結構存在差異的即為異構，內部核結構一致的為同構。所以針對差異化的應用，對核結構的具體實現進行分析，直接影響到今后微處理器的性能強弱。核結構對芯片性能、功耗及面積有著直接的聯系，對以往處理器的優點進行保留，并在此基礎上進一步的發展，這些都同多核實現周期、性能相關。除此之外，參考Amdahl定理，串行部分性能影響著程序加速比，因此基于理論角度進行分析，異構微處理器結構性能較佳[1]。系統實現也直接受核指令系統的影響，在多核中運用的指令一致與否，且運行操作系統可以運行，成為當前探究重點。

二、技術關鍵

在安全性、功耗、軟件及結構等層面，多核處理器在設計難度上明顯比單核處理器大，而且發展前景非常廣闊。

SMT、CMP的研究核心就是粗粒度并行性的運算，其中在大規模集成電路技術進步的同時而形成的CMP，當芯片容量較大的情況下，能夠對并行處理結構下DSM、SMP節點進行集成，并均放置于芯片中，不同處理器能夠以并行的方式對進程、線程進行執行。針對SMP的單芯片多處理機，借助片外共享存儲器、Cache都可以使不同處理器開展通信；但是DSM的單芯片多處理器，只有在對分布式存儲器的片內高速交叉開關網絡進行連接的情況下，才能夠開展通信。

因為當前DSM、SMP的發展進入到成熟化的階段，能夠簡便設計CMP結構，嚴格的僅在于芯片制造工藝及設計后端[2]。由此，商用CPU比較青睞的高性能處理器結構即為CMP。

集成度較高的多核處理器具有很大的優勢，可以顯著提升芯片性能，然而也存在系統級問題，需要進行深入的研究應對辦法。

三、異構多核處理器的體系結構設計

多核處理器在核結構一致性方面沒有限制，一般來說，設計簡便化的就是同構多核處理器，因為不同核結構相一致，因此不同核都是通用處理單元，運用的是對不同程序的平均執行性能都進行優化的設計思想，共享資源的調度方式、通訊方式、內核互聯才是設計的關鍵所在，其中通訊方法包括共享存儲、共享Cache等等。而對于異構多核處理器來說，設計難度相對較大，要兼顧內核存儲結構、互聯通信及結合不同內核下應用程序對單處理器進行設計等多方面因素，同時其底層架構依托于操作系統，不然根本不能發揮異構多核處理器的作用及優點。分配任務的過程中，操作系統應針對核特點開展分配工作，結合差異化的需求，確保計算內核能夠有效完成任務。

同以往多處理器核統一構建發展的要求進行設計的原則不同，在設計異構多核處理器體系結構的過程中，運用的自動化構建方法，針對特定方面的專項設計目標取代了通用設計目標。在應用程序需求不斷提升、工藝發展迅速的背景下，當下多核處理器節點設置為處理器（含有加速功能單元、可配置）無法達不到性能需求，反而運用定制理器核，能夠通過有效、靈活的方式來實現多處理器核配置，所以成為當前異構多核處理器體系結構研究計開發熱點。此外，在設計異構多核處理器體系結構的過程中，要基于差異化體系結構處理器核中，來映射任務，實現任務通信。

（一）內核結構及核間關系的設計

異構多核處理器和同構多核處理器相比，其差異化框架結構內核相對較多，異構多核結構構建的關鍵和根本就是對不同內核結構、功能特點進行明確。通常，異構結構下的各單處理器均為結合一個特定應用特征來選取、設計，而開展設計工作時，相關工作者要對內核功能是否重復這個問題進行分析。如果處理器內核存在結構重復的狀況，就會出現結構類似的結果，也有可能出現一致部分，最終出現結構冗余的問題，這是設計工作的一大難題。開展實踐運用的過程中，一些異構系統因為運用需求，規定處理器內核要存在功能一致的狀況，這同運用特殊需求所導致的[3]。因此，涉及工作人員要對重復性必要與否這個問題進行詳細分析，這樣才能夠更好地完成設計異構結構的任務。

（二）多核之間的互聯方式

設計多核處理器的核心就在于核間互聯技術，多核性能直接受通信協議、核間互連方式二者的影響。以往注重主頻的微處理器在形成多核處理器之后發生了極大的轉變，向著更多處理器核的方向發展。當下，芯片性能提升受到阻礙的關鍵就在于很多處理器核的彼此通信。要想使大量的處理器核進行協同性的運行，應保障相互間的有效信息通信。大量處理器核借助高效互連結構，能夠針對海量信息進行共享和互通，使處理器核間并行運行變為了現實。因為內核存在異構性、內核間性能存在差異的特點，所以在設計異構多核的互聯時變得難度非常大，要想有效的設計異構多核并充分發揮其優勢，就需要將核間互聯問題進行很好的處理。

如果內核量不多，在共享存儲器的前提下進行總線互聯是直接化的互聯途徑。能夠借助片上系統的分時共享總線手段，使內核彼此能夠進行互聯。AMBA、WISHBONE為運用率較高的分時共享總線。借助總線技術開展內核間的互聯，存在一定弊端，例如：可擴展性差、通信效能低、同步難度大、功耗大及不可靠等問題。