[发明专利]基于超立方体结构的CMP任务分配方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是一种计算机CMP体系结构中处理器内核任务调度技术。

(二)背景技术

随着集成电路制造工艺的不断进步，微处理器性能得到了不断的提升。单个处理器芯片上集成10亿个晶体管即将实现，在此情况下，进一步利用程序本身所具有的并行性以提高处理器性能成为当前系统结构设计者所面对的一个关键问题。

传统的处理器设计中大多通过并发执行单个串行程序中的多条指令来提取并行性，为此，处理器设计采用了诸如乱序执行、猜测执行和硬件分支预测等技术来改进系统的并发执行。然而，随着越来越多复杂技术的应用，使得处理器的设计和验证变得越来越难以控制。为此，提出了CMP(片上多处理器)体系结构。

CMP是指在一个处理器芯片上集成多个微处理器内核(也称为处理单元)，每个微处理器内核实质上都是一个相对简单的微处理器，各个微处理器都能够相对独立地执行程序代码。

CMP的基本架构主要结构包括：

(1)处理器内核：CMP中包括多个相对独立的处理器内核，内核往往具有中央处理单元、独立的Cache结构等。

(2)核间通信结构：主流的片上高效通信机制有两种，一种基于总线共享的Cache结构，以斯坦福大学的Hydra处理器为代表；另一种是基于片上的互连结构，以麻省理工学院的RAW处理器为代表。其中，前者是指每个处理器内核拥有共享的二级或三级Cache，用于保存比较常用的数据，并通过连接核心的总线进行通信，具有结构简单，容易实现与验证，且对系统程序员接口友好的优点，缺点是基于总线的结构可扩展性较差，适用于集成4个或4个以下CPU核心的CMP处理器；后者是指每个处理器内核拥有独立的处理单元和cache，各个CPU核心间通过交叉开关和片上互联网络等方式连接在一起，各个CPU核心之间通过消息进行通信，这种结构的优点是可扩展性好，适合于集成16个以上CPU核心的CMP处理器。

对于具有多个处理单元的多核处理器系统来讲，将大量的计算线程合理、高效地分配到相应的处理器单元上是CMP研究的重点问题。当前，CMP结构下操作系统任务调度算法主要包括：一是全局就绪队列调度；二是局部就绪队列调度。

全局队列调度是指操作系统维护一个全局的任务就绪队列，当系统中有一个CPU内核空闲时，操作系统就从全局任务就绪队列中选取一个就绪任务开始在此核心上执行。这种方法的优点是CPU内核利用率较高，逻辑设计也比较简单，但任务可能需要在各内核之间进行切换，因为当某一个任务已经分配给处理器的A内核，可是当任务运行的过程中因某种原因而被阻塞时，系统发现B内核为空闲，那么系统会把正在A内核执行的任务分配给B内核，这样会削弱A内核中的cache命中率。

局部就绪队列调度是指系统为每个CPU内核维护一个局部的任务就绪队列，当系统中有一个CPU内核空闲时，便从该内核的任务就绪队列中选取恰当的任务执行，这种方法的优点是任务基本上不需要在多个CPU内核之间进行切换，有利于提高CPU内核里的cache命中率，但CPU内核的利用率较低，因为当系统中的某个CPU内核A所维护的任务就绪队列中任务应经执行完毕，而其他CPU内核B的就绪队列中仍有任务需要执行，那么A内核只能等待，这样就浪费了宝贵的内核资源。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种将CMP中处理器内核逻辑划分为具有不同维数的超立方体结构，根据任务资源分配表的功能需求，将不同任务分配到CMP中的立方体结构中，可以使任务能够较快的在各个处理器内核之中运行，大大地缩短任务的执行时间。

本发明的目的是这样实现的：

具有N个处理单元的单芯片多处理器CMP，将其逻辑划分为具有多维立方体结构，至多为k维立方体，其中k≤N，处理单元的个数与具有一维立方体结构的节点个数n₁、具有二维立方体结构的节点个数n₂、具有k维立方体结构的节点个数n_k之间满足N＝n₁+n₂+…+n_k；

设单芯片多处理器CMP将要执行的任务队列为P₁P₂…P_p，每个任务P_i的资源使用参数表为(d_i，t_i)，其中，d_i表示执行该任务需要i维立方体运算资源、t_i表示执行该任务i维立方体所需要的执行时间；