专利名称：多cell处理器构建的并行计算阵列架构的制作方法
技术领域：
本发明属于FPGA和并行计算技术领域，具体涉及一种基于CELL处理器的并行计算阵列。
背景技术：
CELL处理器由Sony在2001年3月投资，Sony、新力电脑娱乐、东芝、美国国际商业机器(IBM)公司联合开发用于高速运算的处理器。它是以RISC指令体系的PowerPC架构来设计的，并具有高时钟频率、高执行效率等特点。主要应用于PlayMation 3和刀锋服务器之上。CELL处理器拥有1个处理器核心(包含1个由PowerPC970简化而来PPE及8个称为SPE协作处理器)，工作频率超过4GHz。CELL处理器是64-bit Power处理器，内建8个互相协作的处理单元，有处理分离式计算的能力，拥有单处理器运行多个操作系统的能力。高度弹性的设计与分布式计算是CELL除高性能之外的两大亮点。CELL可适用于从嵌入式设备到大型计算机等几乎所有计算设备中，所以将CELL设计为一个通用的处理器平台。如果要用于工作站/服务器系统，IBM可以将两枚CELL处理器直接集成在一起以获得更高的效能，而要用于大型计算机，CELL则可配置成包含四枚独立处理器的“MCM模块”。因此使用多个CELL处理器构建阵列进行高效能并行计算成为目前研究的重要方向。参考文献IBM.PowerPC Microprocessor Family: Vector/SIMD Multimedia Extension Technology Programming Environments Manual [M]. NY, USA, 2005: 317.IBM.PowerPC Operating Environment Architecture [M], NY, USA, 2005: 135。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高CELL处理器的利用率，平衡负载，并尽量减小功耗的并行计算阵列架构。该阵列架构面向FPGA软件系统，适用于各种复杂的FPGA结构，进行高性能通用装箱以及FPGA布局布线。本发明提出的并行计算阵列架构，是由多CELL处理器构建的而成。具体来说，本发明提出的并行计算阵列架构，是重新定义CELL处理器之间的连接模式、CELL处理器之间的通信模式、CELL处理器之间的线程调度及负载平衡模式。其中
所述连接模式，是将多个CELL处理器，通过宽带引擎接口，连接起来组成阵列。所述通信模式，是通过宽带引擎接口 BIF协议进行CELL处理器之间的内存耦合， 并进行CELL处理器之间的通信。所述线程调度及负载平衡模式，是将原有的单个CELL多线程执行过程，通过软件分解为多任务多程序，分配并调度到CELL阵列上执行，实现大规模数据并行计算。具体操作如下
A)把多个CELL处理器通过宽带引擎接口连接起来，组成包含若干CELL处理器的阵
列；B)配置软件用于CELL处理器之间的相互通信，通过宽带引擎接口BIF协议，实现多个 CELL处理器之间的内存耦合；
C)配置软件用于CELL阵列的线程调度及负载平衡，以提供其对大规模并行计算的支持。本发明的并行计算阵列架构，可以实现在低功耗的条件下进行高效能并行计算。 该阵列架构面向FPGA软件系统，适用于各种复杂的FPGA结构，进行高性能通用装箱以及 FPGA布局布线。
图1为本发明的并行计算阵列架构模型图示。
具体实施例方式本发明提出的并行计算阵列架构具体实施的基本方式如下利用CELL中现有的宽带引擎接口，将多个CELL处理器连接起来形成阵列，通过软件配置实现该阵列内部内存耦合以及与外部的非耦合的I/O传输及负载的平衡。在软件配置方面，首先利用CELL处理器的内存耦合CELL宽带引擎接口 BIF协议，可以让阵列中每个CELL处理器都可以通过 IOIFO连接到阵列中其余的CELL处理器；其次通过优化调度算法，将运算负载在阵列中的 CELL处理器之间进行调度，实现负载平衡。构建完成的CELL阵列架构以其中一个CELL处理器为核心，负责任务分析、线程调度；利用配置软件和调度算法，将大规模并行数据运算封装成适合单个CELL处理器计算的程序，分配到阵列中各个CELL处理器上执行；阵列中每个CELL处理器都保留原来的体系结构，单个CELL处理器已经具有强大的并行计算能力，这样CELL阵列就可以实现并行计算的倍增效应。具体介绍如下
A)把多个CELL处理器通过宽带引擎接口连接起来，组成包含若干CELL处理器的阵列， 通过宽带引擎接口 BIF协议，实现多个CELL处理器之间的内存耦合；
B)阵列中的一个CELL处理器为控制处理器，负责创建任务，并根据阵列中各处理器的负载情况将任务分发到其他处理器中运行；
C)CELL处理器的负载率是单位时间内PPE与SPE间的数据通信量、PPE与阵列中其他处理器间的数据通信量以及SPE占用率三个因素的加权平均值，三个因素的权值可根据不同应用的需要进行调整。控制处理器将每个新创建的任务分发到负载率最低的处理器；
C)任务是一个多线程的程序，包含一个或多个PPE线程，以及多个SPE线程；
D)在阵列中的每个CELL处理器上运行一个后台程序，负责监测处理器通信与计算的负载率，报告给控制处理器；
E)每个CELL处理器上的后台程序从控制处理器接收任务，并启动任务运行。
权利要求
1.一种多CELL处理器构建的并行计算阵列架构，其特征在于由多CELL处理器构建的而成，并重新定义CELL处理器之间的连接模式、CELL处理器之间的通信模式、CELL处理器之间的线程调度及负载平衡模式；其中所述连接模式，是将多个CELL处理器，通过宽带引擎接口，连接起来组成阵列； 所述通信模式，是通过宽带引擎接口 BIF协议进行CELL处理器之间的内存耦合，并进行CELL处理器之间的通信；所述线程调度及负载平衡模式，是将原有的单个CELL多线程执行过程，通过软件分解为多任务多程序，分配并调度到CELL阵列上执行，实现大规模数据并行计算。
2.根据权利要求1所述的多CELL处理器构建的并行计算阵列架构，其特征在于 阵列中的一个CELL处理器为控制处理器，负责创建任务，并根据阵列中各处理器的负载情况将任务分发到其他处理器中运行；在阵列中的每个CELL处理器上运行一个后台程序，负责监测处理器通信与计算的负载率，报告给控制处理器；后台程序同时从控制处理器接收任务，并启动任务运行。
全文摘要
本发明属于FPGA和并行计算阵技术领域，具体为一种多CELL处理器构建的并行计算阵列架构。本发明利用CELL中现有的宽带引擎接口，将多个CELL处理器连接起来形成阵列，通过软件配置实现该阵列内部内存耦合以及与外部的非耦合的I/O传输及负载的平衡。在软件配置方面，首先利用CELL处理器的内存耦合CELL宽带引擎接口BIF协议，让阵列中每个CELL处理器通过IOIF0连接到阵列中其余的CELL处理器；其次通过优化调度算法，将运算负载在阵列中的CELL处理器之间进行调度，实现负载平衡。本发明在多个CELL处理器之间实现并优化线程调度，提高各个CELL处理器的利用率，平衡负载，并尽量减小功耗。
文档编号G06F9/38GK102184093SQ20111015886
公开日2011年9月14日 申请日期2011年6月14日 优先权日2011年6月14日
发明者叶晓敏, 周学功, 曹伟, 王伶俐 申请人:复旦大学