流處理器研究與設(shè)計(jì)

前言

　　本書的由來　　基于馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)模型和體系結(jié)構(gòu)模型已經(jīng)很好地運(yùn)行了六十多年。但是，這個(gè)模型在當(dāng)前VLSI工藝下，可靠性、功耗、計(jì)算效率、成本等都存在問題。全世界大量從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究、設(shè)計(jì)和制造的科學(xué)家和工程師們一直在設(shè)計(jì)新一代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)方面做著不懈的探索?！　〗陙?，國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院有很多老師帶領(lǐng)研究生們一直專注于新型體系結(jié)構(gòu)的研究，并且取得過很多創(chuàng)新性成果。我們課題小組的主要成員在20世紀(jì)　　　90年代初期攻讀博士、碩士學(xué)位時(shí)，就開始關(guān)注國(guó)際上新型并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的研究工作；隨后的10年間，承擔(dān)和參與了一系列國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、863項(xiàng)目和國(guó)家重點(diǎn)工程項(xiàng)目，獲得了多項(xiàng)國(guó)家和部委級(jí)科技成果獎(jiǎng)。2000年以后，我們課題組的老師和研究生們把學(xué)術(shù)研究的重點(diǎn)集中在高并行處理器技術(shù)領(lǐng)域。經(jīng)過一段時(shí)間的學(xué)習(xí)和研究，到2003年，我們對(duì)該領(lǐng)域的研究進(jìn)行了總結(jié)，課題組的研究重點(diǎn)逐步聚焦到以下4種并行結(jié)構(gòu)：　　（1）以傳統(tǒng)處理器為基礎(chǔ)的片內(nèi)多核結(jié)構(gòu)；　?。?）以多向量處理器部件為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)；　?。?）以陣列處理器為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)；　?。?）以處理（計(jì)算）單元陣列為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)。　　當(dāng)時(shí)，我們認(rèn)為（1）和（3）兩種結(jié)構(gòu)面臨的問題與現(xiàn)有的MPP相似，主要技術(shù)壁壘在于如何提高計(jì)算資源的使用效率，在當(dāng)前程序設(shè)計(jì)模式下，要攻克這個(gè)壁壘是比較困難的。我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)（2）和（4）方面做了更為前沿的探索，資料表明，這種探索的結(jié)果是有吸引力的。國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院研制的銀河-Ⅰ和銀河-Ⅱ巨型計(jì)算機(jī)，都采用了向量處理器的結(jié)構(gòu)，在向量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究和應(yīng)用程序向量化等關(guān)鍵技術(shù)方面都有比較好的技術(shù)積累，同時(shí)對(duì)向量處理技術(shù)中存在的難點(diǎn)問題也有更加深刻的體會(huì)。我們課題組在討論了學(xué)術(shù)新穎性和研究復(fù)雜性后，選擇了結(jié)構(gòu)（4）作為研究重點(diǎn)，而作為重點(diǎn)研究的方向則慎重地選擇了以處理單元陣列為基礎(chǔ)的新型計(jì)算模型——流計(jì)算模型?！　∶绹?guó)斯坦福大學(xué)Imagine原型系統(tǒng)是以流計(jì)算模型為基礎(chǔ)的流處理器經(jīng)典代表。Imagine在處理器的適用性、功耗、程序效率、單位成本等因素上做了很好的權(quán)衡，其公布的研究成果非常有吸引力，鼓勵(lì)我們更加深入地開展流體系結(jié)構(gòu)的研究。2004年，我們申請(qǐng)了自然科學(xué)基金，得到2005年度探索項(xiàng)目的資助。在此期間，我們不但閱讀了能夠得到的所有資料，研究了流處理器的體系結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計(jì)工具鏈，而且啟動(dòng)了一個(gè)基于FPGA的32位流處理器驗(yàn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該處理器被命名為“MASA”（Multi-dimension Adaptive Stream Architecture）。我們同時(shí)啟動(dòng)了MASA模擬器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)以及配套工具鏈的構(gòu)造，并將課題組命名為“MASA課題組”。到2005年秋，我們課題組成功地在Altera的StratixII EP2S180上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的32位MASA處理器演示原型MASA-Ⅰ，其清晰的結(jié)構(gòu)和主要測(cè)試結(jié)果與當(dāng)初的模擬結(jié)果非常接近。

內(nèi)容概要

　　 本書介紹了一種新型的非馮•諾依曼體系結(jié)構(gòu)——流體系結(jié)構(gòu)。作者在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合自己多年科研工作的體會(huì)，介紹了流處理的主要思想、流體系結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行機(jī)制、編程模型及編譯器設(shè)計(jì)，以JPEG和H264等典型應(yīng)用為例詳述了應(yīng)用的流化方法；并敘述了多核流體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)與編譯、VLSI特性等多個(gè)方面的內(nèi)容；最后就流體系結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展進(jìn)行了討論。本書在介紹流體系結(jié)構(gòu)這一專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù)時(shí)，秉承實(shí)事求是的科研精神，力求做到由淺入深、文字流暢、便于閱讀?！　”緯勺鳛閺氖绿幚砥黧w系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)的科研人員和廣大愛好者的參考書，也可作為大專院校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)本科生、研究生的教材或參考書。

書籍目錄

第1章　緒論  1.1　VLSI技術(shù)的發(fā)展對(duì)處理器體系結(jié)構(gòu)的影響  1.2　應(yīng)用對(duì)體系結(jié)構(gòu)提出的新要求  1.3　高性能體系結(jié)構(gòu)面臨新的挑戰(zhàn)    1.3.1　專用處理器    1.3.2　通用微處理器    1.3.3　DSP與可編程的媒體處理器  1.4　新興的流處理器    1.4.1　Imagine和Merrimac    1.4.2　CELL處理器    1.4.3　基于片上存儲(chǔ)的VIRAM體系結(jié)構(gòu)    1.4.4　片內(nèi)多處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)的代表：RAW和TRIPS    1.4.5　流計(jì)算模型SCORE    1.4.6　新型流體系結(jié)構(gòu)小結(jié)第2章　流處理  2.1　流處理思想  2.2　硬件結(jié)構(gòu)模型    2.2.1　解耦合計(jì)算和訪存    2.2.2　多級(jí)存儲(chǔ)層次    2.3　流處理實(shí)例及與向量處理的比較    2.4　小結(jié)第3章　流處理器微體系結(jié)構(gòu)  3.1　流體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想    3.1.1　控制子系統(tǒng)    3.1.2　存儲(chǔ)子系統(tǒng)    3.1.3　計(jì)算子系統(tǒng)    3.1.4　對(duì)外接口  3.2　流處理器的指令集設(shè)計(jì)技術(shù)    3.2.1　流級(jí)指令    3.2.2　kernel級(jí)指令  3.3　流處理器的流水線設(shè)計(jì)技術(shù)    3.3.1　核心指令執(zhí)行流水線的組織結(jié)構(gòu)    3.3.2　流數(shù)據(jù)訪問流水線的組織結(jié)構(gòu)    3.3.3　流水線的數(shù)據(jù)通路及其相關(guān)處理  3.4　流處理器計(jì)算子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)    3.4.1　簇內(nèi)寄存器文件系統(tǒng)    3.4.2　簇內(nèi)交叉互連開關(guān)    3.4.3　運(yùn)算單元ALU和DSQ    3.4.4　計(jì)算簇內(nèi)便箋存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)    3.4.5　計(jì)算簇間的通信單元設(shè)計(jì)    3.4.6　流IO單元設(shè)計(jì)  3.5　流處理器控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)    3.5.1　核心指令控制邏輯    3.5.2　流指令控制邏輯    3.5.3　標(biāo)量處理器核的控制邏輯  3.6　流處理器存儲(chǔ)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)    3.6.1　流寄存器文件    3.6.2　Cache    3.6.3　DRAM存儲(chǔ)器  3.7　流處理器核對(duì)外接口的設(shè)計(jì)    3.7.1　與標(biāo)量處理器核的接口    3.7.2　多片流處理器核互連接口    3.7.3　片上總線接口    3.8　提高性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)討論　……第4章　流處理器協(xié)同機(jī)制　第5章　流編程模型與編譯器第6章　流應(yīng)用與編程　第7章　多核流處理器設(shè)計(jì)第8章　未來流處理器研究參考文獻(xiàn)縮略語(yǔ)表

章節(jié)摘錄

　　第2章　流處理　　流處理器體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)新興的體系結(jié)構(gòu)概念，要理解它就必須從流模型、流處理等基本思想入手。本章從概述的角度出發(fā)，主要介紹一些基本的概念思想，以及基于流處理的硬件結(jié)構(gòu)模型。此外，因?yàn)榱魈幚硎菑南蛄考夹g(shù)發(fā)展而來的，所以本章最后還以實(shí)例說明了二者的區(qū)別?！　?.1　流處理思想　　流，是不間斷的、連續(xù)的、移動(dòng)的記錄隊(duì)列，隊(duì)列長(zhǎng)度可以是定長(zhǎng)或不定長(zhǎng)的。流記錄的組成可以復(fù)雜或簡(jiǎn)單，如一個(gè)三角形的頂點(diǎn)、一幅圖像的8×8的像素區(qū)域、一個(gè)簡(jiǎn)單的整數(shù)等。流處理就是針對(duì)流應(yīng)用的上述特征進(jìn)行的特殊處理，其本質(zhì)思想可歸納為以下幾點(diǎn)?！　?.計(jì)算過程的分解　　計(jì)算過程的分解是指人為地將一個(gè)應(yīng)用分解成一系列的計(jì)算核心程序（kernel），產(chǎn)生數(shù)據(jù)流圖，形成明確的生產(chǎn)者一消費(fèi)者模型。基本上是根據(jù)功能來劃分核心程序，每個(gè)核心都有明確的輸入流和輸出流。

圖書封面

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