【導(dǎo)讀】隨著人類社會的不斷進(jìn)步,以及計算機(jī)硬件飛速發(fā)展,多核處理器的出現(xiàn)是大勢所趨!來了巨大的變化,帶來更多的生產(chǎn)力優(yōu)勢和卓越的性能表現(xiàn)。隨著當(dāng)前市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需。多核處理器融合了未來的發(fā)展趨勢,多核處理器必將成為下一代服務(wù)器和個人操。作平臺的主流,因此,對多核處理器相關(guān)技術(shù)的研究具有十分重要的意義。MemoryCore)總線是為多核處理器或眾核處理器的內(nèi)部通信設(shè)計的一種高效解決方案。鍵技術(shù)亟待解決，包括核間通信問題。討論了目前多核處理器中使用的核間通訊技術(shù)，分析了優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了CMC總線。

　　

【正文】 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 4 CMC 總線 CMC 總線的提出 上文通過對共享總線、交叉開關(guān)以及 NoC 結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)分析，在此基礎(chǔ)上，提出了一種新型的多核處理器內(nèi)部核間通信總線 —CMC 總線。 CMC( Core Memory Core) 總線是為多核處理器或眾核處理器的內(nèi)部通信設(shè)計的一種高效解決方案。該總線特點(diǎn)是只用了一根握手線，簡單的硬件邏輯，并為軟件提供必要的控制接口，可實(shí)現(xiàn)多核處理器核間的高效通信。 基于 CMC 總線的多核處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計 CMC( core memory core)總線的結(jié)構(gòu)是由掛在同一個總線上的多個核 ( core) 和緩存( memory) 組成。 基于 CMC 總線的多核處理器總體結(jié)構(gòu)如圖 所示，平面布局為 33 方格上，編號為 0 ～ 8 共九個核。核與核之間，核與主存之間的通信系統(tǒng)采用層次化的雙向總線結(jié)構(gòu)，其中包括有外總線、長總線和若干條短總線組成。核 0 的權(quán)限是主核，其余核為從核。主核通過外總線與存儲程序指令和數(shù)據(jù)的主存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，是多核處理器唯一的對外接口。長、短總線都設(shè)置一個單口 ram 作為中間緩存， 緩存的結(jié)構(gòu)都相同。兩種總線握手方式相同，握手線略有不同。長總線 bus0x 上所有核共用一個中間緩存，主核運(yùn)行的操作系統(tǒng)通過長總線為各個 其他核分派程序和數(shù)據(jù)，并讀回運(yùn)行結(jié)果。長總線工作在主從模式，從核不能主動要求總線控制權(quán)。短總線工作在多主模式，核與核之間的地位相同，任何一個核都可以主動要求總線控制權(quán)，并在總線空閑時獲得總線控制權(quán)。任務(wù)合適的時候， N 個核可以異步并發(fā)地同時進(jìn)行 N 個通信，如圖 ，所示 Core0 到 Core Core1 到 Core Core2 到 Core Core5 到 Core Core8 到 Core Core7 到 Core Core6 到 Core Core3 到 Core0、 Core4 到 Core5 同時進(jìn)行 9 個通信。本文目標(biāo)在于建立核間通信總線的硬件系統(tǒng)，軟件部分不再贅述。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 圖 基于 CMC 總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) CMC 總線上的各個核可以用 DMA 速度對緩存 M 讀寫數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高效率的核間通信。核與核之間只使用一根握手信號線，來保證總線上只有一個核可以占用總線，實(shí)現(xiàn)了一個總線偵聽協(xié)議。 CMC 總線上的各個核通過握手信號競爭總線，獲得總線控制權(quán)的核稱為占線核，一旦該核獲得總線控制權(quán)，軟件就可以啟動一次數(shù)據(jù)傳送。其余的核稱為非占線核，非占線核對總線呈現(xiàn)高阻態(tài)，并且不受總線影響。 假設(shè) Core1 與 Core2 通過短總線通信時， Core4 對 Core1 發(fā)送數(shù)據(jù)， Core4 通過握手邏輯獲得了 bus14 的控制權(quán)， Core4 把數(shù)據(jù)寫入緩存 M14，寫完畢后 Core4 釋放 bus14， Core1 的當(dāng)前工作不受任何影響。當(dāng) Core1 與其他核的通信完畢時，需要 Core4 傳送來的數(shù)據(jù)， Core1 占用 bus14，從 M14 讀取 Core4 送來的數(shù)據(jù)， Core4 當(dāng)前工作不受任何影響。這樣兩核不需要停下當(dāng)前各自的工作就可完成核間數(shù)據(jù)讀寫。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 假設(shè)不相鄰的兩核 Core0 與 Core4 需要通信時， Core0 可以先與 Core1 交換數(shù)據(jù)， Core1 再與 Core4 交換數(shù)據(jù)，或者 Core0 直接利用長總線與 Core4 通信。 Core1 與 Core4 這樣通信效率并不高，但是整個多核處理器的任務(wù)是按區(qū)分配的，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上距離較遠(yuǎn)的核與核之間需要通信的概率較低，整個多核處理器的通信效率并不降低。 沒有緩存的兩核直通 DMA 傳送，兩核都要停下當(dāng)前的工作，等完成本次 DMA 操作之后，才能恢復(fù)正常工作。如果 DMA 操作與某核的 L1 Cache 缺頁操作同時發(fā)生時，很難預(yù)防數(shù)據(jù)沖突，保證數(shù)據(jù)的完整性與一致性。 CMC 總線握手邏輯設(shè)計 圖 所示每個核內(nèi)都有三個八位的握手寄存器，握手碼寄存器 X0、握手碼移出寄存器 X握手碼移入寄存器 Y1，握手成功標(biāo)志位 handshake_ flag。操作系統(tǒng)給每個核的 X0 賦唯一的核握手碼，每個核的握手碼與鄰核的握手碼必須不具有移位相同性。核對握手線的驅(qū)動是 OD 門，握手線上是外加弱上拉邏輯。結(jié)果是各個核的握手信號相當(dāng)于 “線與 ”。 圖 CMC 總線握手信號硬件圖 當(dāng) Core1 請求總線占用 CMC 總線。以握手時鐘的頻率將 X1 值移出至握手線，與其他核的輸出 “線與 ”，同時將握手線電平移入到 Y1。移位完成時生成一個中斷信號，把握手結(jié)果通知給核 : 1) CMC 總線空閑時， Y1 寄存器值必定等于 X0 寄存器值， Core1 握手標(biāo)志位 ( 核內(nèi)狀態(tài)機(jī)啟動位 )置 1，此時握手線拉低為 0，阻止其他核占用總線， Core1 獲得了總線的控制權(quán)，成為占線核。 2) 如果其他核此時已獲得了該總線的控制權(quán)，則握手線被拉低為 0， Core1 的 Y1 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 寄存器就為 0，此次請求總線失敗。 3) 當(dāng) Core Core2 同時異步請求總線。各自的 X1 移出值在握手線上相與，移位完成后核 2 得到各自的 Y1 寄存器值。 Y1 等于 X0 的核成為占線核， Y1 不等于 X0 的核成為非占線核。 占線核使用完總線后，必須用軟件清除核內(nèi)握手標(biāo)志位，成為非占線核，釋放該 CMC 總線。必要時，占線核可以持續(xù)占用總線，把緩存當(dāng)做自己的擴(kuò)展存儲器使用，這樣相比于其他核間通信結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性更好。 若多核處理器為異構(gòu)處理器，圖 中 Core0 為主核，其余為從核。當(dāng)主核要對 8個從核中的任何一個核進(jìn)行通信的時候，從核必須停下當(dāng)前的工作，并接受主核的操作。長總線通信比短總線通信具有更高的優(yōu)先級。此時 CMC 總線實(shí)現(xiàn)的長、短總線的握手邏輯必須多一根握手優(yōu)先信號線。 CMC 總線硬件設(shè)計 圖 以兩個核之間互相通信為實(shí)例，描述了實(shí)現(xiàn)整個 CMC 總線所需的接口信號。表 對圖 中的各個接口信號的流向、位寬、信號的強(qiáng)弱作了具體的描述。 圖 CMC 總線信號圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 表 CMC 總線硬件結(jié)構(gòu)信號說明 信號名 說明 信號方向 位寬 /bit 信號強(qiáng)弱 WR_DATA 地址數(shù)據(jù)總線 雙向 8 弱下拉 W/R 讀寫標(biāo)志位 核到中間緩存 1 弱下拉 EN 鎖存數(shù)據(jù)脈沖線 雙向 1 弱下拉 ALE 地址鎖存允許線 雙向 1 弱下拉 HANKSHAKE 握手信號 核到核 1 弱下拉 一旦某核成為占線核，占線核通過 CMC 總線的猝發(fā)式傳送模式傳送數(shù)據(jù)。長、短總線上只需傳送一次首地址就可以完成成塊數(shù)據(jù)的傳送。 ALE 上升沿到來， WR_DATA 上的塊數(shù)據(jù)的首地址鎖入緩存 M 的 ac 中。若核對緩存進(jìn)行寫操作，置為 1，從核端的系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生 EN 信號，該信號下降沿將驅(qū)動緩存 M的 ac 加一計數(shù)，同時驅(qū)動核模塊的 dc 減一計數(shù)， EN 信號上升沿觸發(fā) WR _DATA 上的數(shù)據(jù)鎖入緩存 M 的存儲單元中。若核對緩存進(jìn)行讀操作， W/珚 R 置為 0，從緩存 M的系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生 EN 信號， EN 信號上跳沿將驅(qū)動緩存 M 的 ac 加一計數(shù)，同時驅(qū)動核模塊的 dc 減一計數(shù)。 W/珚 R 當(dāng)作門控信號，允許 WR_DATA 上的數(shù)據(jù)鎖入核模塊的存儲單元中。無論是讀還是寫操作，都直至 dc 為 0 結(jié)束此次傳送。 圖 為實(shí)現(xiàn) CMC 總線整個核部分硬件結(jié)構(gòu)，圖中的虛線框表示的是三態(tài)門，數(shù)據(jù)地址復(fù)用總線按 8 位處理，圖中各個硬件部分的作用在表 中做出說明。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 圖 CMC 總線核部分硬件結(jié)構(gòu)圖 表 核部分的硬件結(jié)構(gòu)內(nèi)部信號說明表 名稱 說明 名稱 說明 core_clk 核內(nèi)系統(tǒng)時鐘 ram_ac0 緩存 M地址計數(shù)器初值 en_in 數(shù)據(jù)有效信號 core_ac0 核內(nèi)地址計數(shù)器初值 core_ac 核地址計數(shù)器 core_de0 核內(nèi)數(shù)據(jù)計數(shù)器初值 core_dc 核數(shù)據(jù)計數(shù)器 wr_flag 讀寫標(biāo)志位 單口 ram 核數(shù)據(jù)存儲區(qū) ale_out 狀態(tài)機(jī)輸出地址數(shù)據(jù)區(qū)分位 handshake_flage 狀態(tài)機(jī)啟動標(biāo)志位 wr_out 狀態(tài)機(jī)輸出讀寫狀態(tài)位 圖 描述的是整個 CMC 總線中間緩存部分的硬件結(jié)構(gòu)圖，圖中的虛線框表示的是三態(tài)門，圖中各個硬件部分的作用在表 中做出說明。 圖 CMC 總線緩存 M 硬件結(jié)構(gòu)圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 表 緩存部分硬件結(jié)構(gòu)內(nèi)部信號說明 名稱 說明 名稱 說明 ram_clk 緩存 M 的系統(tǒng)時鐘 單口 ram 緩存 M 的數(shù)據(jù)存儲區(qū) en_in 數(shù)據(jù)有效信號 ram_ac 緩存 M 的地址計數(shù)器 記總線信號傳輸延時時間 TL?？偩€上掛的核越多， TL 越大。即使在同一條總線上，核的位置不同 ,TL 也不同。當(dāng)核從緩存中讀出數(shù)據(jù)時，如果 EN 信號是從核中發(fā)出的，EN 從核傳送到緩存的時間為 TL，數(shù)據(jù)從緩存到核的延時也為一個 TL，鎖存信號 EN與 WR_DATA 總線信號在多核處理器內(nèi)部傳輸延時時間差為 2TL 數(shù)量級 ,如果 EN 信號是從緩存中發(fā)出的 ,鎖存信號 EN 與 WR _DATA 總線信號是同方向傳送的 ,它們的內(nèi)部傳輸延時時間相差就為 △TL 數(shù)量級。這樣的話就可以減少 TL 對該核的時鐘頻率的限制，并且對全局時鐘的偏移不敏感。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 5 多核系統(tǒng)的 CMC 功能模塊 VB 實(shí)現(xiàn)握手功能函數(shù) 創(chuàng)建窗體 創(chuàng)建程序窗體如圖 所示，兩個窗體 Form Form2，每個窗體有兩個顯示窗口Command Command2，和一個水平滾動條，范圍從 0 到 1，一個定時器，間隔 100m秒。 圖 創(chuàng)建程序窗口 準(zhǔn)備握手函數(shù) 占線函數(shù) Public Function handset() = 0 HScroll1_Change handsp = f111 End Function 棄線函數(shù) Public Function handclr() = 1 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 HScroll1_Change handsp = f111 End Function 握手函數(shù) Private Sub HScroll1_Change() If = 0 Then f111 = 1 Else f111 = 15 F12 = f222 And f111 If F12 = f111 Then = F12 Else f111 = 15 End Sub 如圖 所示， VB 程序界面 。 圖 VB 上實(shí)現(xiàn)握手程序 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 運(yùn)行握手程序 運(yùn)行程序，如圖 所示 。 圖 運(yùn)行 VB 握手程序 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 31 測試運(yùn)行結(jié)果分析 開始運(yùn)行，當(dāng)核 1 申請占用 M 時，成功占用。這時核 2 申請占用 M，無法占用 M，因?yàn)?M 此時被核 1 占用。核 2 放棄占用。核 1 放棄占用 M，此時 M 空，核 2 申請占用M，并成功，此時核 1 請求占用 M，占用不成功。如表 所示 。 表 程序運(yùn)行結(jié)果 Form 1 Form 1 Form 2 Form 2 申請狀態(tài) 左顯示 右顯示 左顯示 右顯示 核 1 請求占用 1 1 1 15 核 1 占用，核 2 請求占用 1 1 1 15 核 核 2 放棄占用 15 15 15 15 核 2 申請占用 2 15 2 2 核 2 占用，核 1 請求占用 2 15 2 2 總結(jié)：當(dāng)一個核申請并成功時， 另一