MCAPI多核軟件開發(fā)

基于MCAPI的多核軟件開發(fā)方法

隨著技術(shù)的進(jìn)步，電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來越快。單純提高主頻來提升系統(tǒng)性能的方式已經(jīng)接近瓶頸，而使用多片處理器搭建系統(tǒng)又不符合產(chǎn)品的小型化要求。傳統(tǒng)的單核處理器已經(jīng)不能滿足日益增長的性能需求，能夠完成并行任務(wù)處理的多核處理器應(yīng)運(yùn)而生?，F(xiàn)代多核處理器主要依靠增加核數(shù)而不是頻率來提升性能，同時(shí)芯片的高集成度也帶來了資源調(diào)度和功耗等問題。隨著多核處理器并行度的增加，各類同構(gòu)、異構(gòu)多核處理器的出現(xiàn)使得軟件開發(fā)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。如何在多核上高效地實(shí)現(xiàn)算法，如何合理地分配資源都是需要解決的問題。

一、多核DSP器件簡介

TMS320C6678是德州儀器公司(Texas Instruments，TI)在2010年推出的一款經(jīng)典的同構(gòu)多核數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)，包含8個(gè)DSP內(nèi)核，每個(gè)核在1.4GHz的最高工作頻率下性能可達(dá)到22.4G每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)(FLoating—point Operations Per Second，F(xiàn)LOPS)，支持Hyperlink等多種高速接口，可廣泛用于移動(dòng)通信、醫(yī)療電子、高性能計(jì)算等領(lǐng)域。

核間通信(InterP rocessor Communication，IPC)以及核與外設(shè)的通信是多核軟件開發(fā)的關(guān)鍵所在。針對這一需求，德州儀器公司在其新一代Keystone架構(gòu)的處理器上提供了多核導(dǎo)航器，包括硬件隊(duì)列管理器和基于包的直接存儲訪問(Direct Memory Address，DMA)，以實(shí)現(xiàn)核間高速數(shù)據(jù)傳輸。使用多核導(dǎo)航器進(jìn)行核問通信，可以通過軟件對相應(yīng)的控制寄存器進(jìn)行讀寫和查詢實(shí)現(xiàn)，也可通過內(nèi)部硬件進(jìn)行事件觸發(fā)實(shí)現(xiàn)，這種方式可大大簡化核間通信處理，但是仍存在缺點(diǎn)。一旦軟件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變，或者需要調(diào)整核的運(yùn)算負(fù)載來提升系統(tǒng)性能時(shí)，這部分工作量很大，而且應(yīng)用受限于廠商。

二、多核通信應(yīng)用程序接口概述

多核通信應(yīng)用程序接口MCAPI(Muhicore Communications Application Program Interface)是由多核聯(lián)盟提出的基于消息傳遞的輕量級應(yīng)用程序接口標(biāo)準(zhǔn)，特別適用于嵌人式系統(tǒng)處理器核間通信和同步。MCAPI的應(yīng)用不受處理器核的數(shù)目、處理器架構(gòu)以及操作系統(tǒng)的限制，并且提供了源碼級的兼容性支持，可擴(kuò)展性很強(qiáng)。相對于普通的多片處理器間通信來說，多核處理器的核間通信普遍要求低延遲、高帶寬。大部分多核處理器都包含片上存儲器或高速緩存(cache)。為了避免出現(xiàn)計(jì)算瓶頸，核間通信需要減少不必要的存儲器訪問。MCAPI中定義了域(domain)、節(jié)點(diǎn)(node)、端點(diǎn)(end.point)、通道(channe1)等關(guān)鍵概念。域是依賴于具體實(shí)現(xiàn)的，既可以是具有多個(gè)處理器核的單個(gè)芯片，也可以是板上的多個(gè)處理器。節(jié)點(diǎn)可以是線程、處理器或硬件加速器等，通?？捎锰幚砥骱俗鳛楣?jié)點(diǎn)。端點(diǎn)是類似于套接字的通信點(diǎn)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)通常包括多個(gè)端點(diǎn)。通道提供了一對端點(diǎn)之間的點(diǎn)到點(diǎn)的先人先出First In First Out，F(xiàn)IFO)存儲器用于通信，方向?yàn)閱蜗虻摹?br/>

此外，MCAPI定義了3種通信基本類型：消息、包通道和標(biāo)量通道。消息是最常用的通信類型，提供了端點(diǎn)之間收發(fā)數(shù)據(jù)的機(jī)制，支持優(yōu)先級動(dòng)態(tài)調(diào)整，可用于同步、初始化和負(fù)載平衡。包通道和標(biāo)量通道提供了輕量級的流通信機(jī)制，相應(yīng)的程序開銷很小。

三、基于Poly—Platform工具的多核軟件開發(fā)流程

3.1Poly—Platform工具簡介

Poly—Platform是Poly Core公司提供的針對多核軟件開發(fā)的集成開發(fā)工具套件，包含Poly-Mapper、Poly-Generator、Poly—Messenger／MCAPI、Poly—Templates等功能模塊。采用該工具進(jìn)行開發(fā)可以基于MCAPI標(biāo)準(zhǔn)建立應(yīng)用程序節(jié)點(diǎn)，利用用戶圖形界面(Graphical User Interfaces，GUI1向?qū)ё詣?dòng)生成代碼，在幾乎不修改源代碼的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序在同構(gòu)多核、異構(gòu)多核、多處理器等不同平臺上的靈活配置和擴(kuò)展，不受限于廠商，應(yīng)用前景廣闊。

3.2多核軟件開發(fā)流程

將Poly—Platform軟件使用插件方式集成到Eclipse軟件環(huán)境中后會在TI的Code Composer Studio開發(fā)環(huán)境下出現(xiàn)相應(yīng)的菜單和選項(xiàng)，即可進(jìn)行基于Poly—Platform的多核軟件開發(fā)。這里選擇TMS320C6678多核DSP器件進(jìn)行開發(fā)，并且以8個(gè)DSP核之間依次相連并傳遞數(shù)據(jù)的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例描述開發(fā)流程。

(1)建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。首先建立一個(gè)拓?fù)?Topology)工程，拓?fù)渲饕枋隽藨?yīng)用程序在(多核)平臺上的映射關(guān)系。借助Poly—Mapper工具在建立工程后生成的拓?fù)溆成湮募羞M(jìn)行屬性設(shè)置，選擇處理器類型，設(shè)置節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為8(對應(yīng)8個(gè)DSP核)，名稱分別為N0一N7，操作系統(tǒng)為TI的DSP專用操作系統(tǒng)。然后在拓?fù)鋱D中繪制8個(gè)節(jié)點(diǎn)，并在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中間繪制一條鏈路(1ink)，得到環(huán)形結(jié)構(gòu)的8節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

(2)建立內(nèi)存映射文件并分配資源。建立內(nèi)存映射文件并分配若干個(gè)段(section1，設(shè)置其起始地址、大小、方向等參數(shù)。這些段分別用于內(nèi)存訪問區(qū)域(Memory Access Regions，MARs)和鏈路(1ink)。其中內(nèi)存訪問區(qū)域包括一些常用的資源池(poo1)，如消息池、消息隊(duì)列池、數(shù)據(jù)池、等待池等，不同節(jié)點(diǎn)之間通過MARs共享資源可以提高資源利用效率，提升系統(tǒng)性能。

(3)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中進(jìn)行內(nèi)存映射。針對每一個(gè)節(jié)點(diǎn)(N0一N7)，設(shè)置其可訪問的內(nèi)存訪問區(qū)域。然后，還需要對內(nèi)存訪問區(qū)域包含的每一個(gè)資源池進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如起始地址等。同樣地，對鏈路也需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

(4)建立節(jié)點(diǎn)工程。這里與常規(guī)的DSP開發(fā)流程基本一致，針對8個(gè)節(jié)點(diǎn)(對應(yīng)處理器核)分別建立節(jié)點(diǎn)工程，然后需要將這8個(gè)節(jié)點(diǎn)工程與第一步建立的拓?fù)涔こ探⒂成潢P(guān)系。

(5)編寫初始化代碼和配置文件。首先利用Poly—Generator工具將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為基于拓?fù)涠x的C語言和相應(yīng)的頭文件，并存放到每個(gè)節(jié)點(diǎn)工程的工作目錄下。然后利用Polv—Template工具，按照軟件自帶的MCAPI模板，自動(dòng)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)工程生成節(jié)點(diǎn)初始化文件和硬件初始化文件。最后編寫TI專用的實(shí)時(shí)軟件組件Real Time Software Component，RTSC)配置文件和用于存儲器分配的連接器命令文件。

(6)編寫每個(gè)節(jié)點(diǎn)工程的主函數(shù)。主函數(shù)主要內(nèi)容包括調(diào)用節(jié)點(diǎn)初始化函數(shù)，硬件初始化函數(shù)，以及節(jié)點(diǎn)之間消息收發(fā)的函數(shù)(基于MCAPI)等。這些都可以利用Poly—Template工具提供的模板快速完成。

(7)編寫每個(gè)節(jié)點(diǎn)工程的應(yīng)用程序。將用戶的算法進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)并加入節(jié)點(diǎn)工程，這一步與常規(guī)的DSP開發(fā)流程完全一致。

(8)建立目標(biāo)配置文件和RTSC平臺。首先建立用于仿真調(diào)試的目標(biāo)配置文件，然后建立RTSC平臺用于硬件配置，并將其加入節(jié)點(diǎn)工程。這些都是TI專用的文件。

(9)編譯、調(diào)試、運(yùn)行。對每個(gè)節(jié)點(diǎn)工程進(jìn)行編譯、調(diào)試、運(yùn)行，觀察程序運(yùn)行結(jié)果。注意不要編譯拓?fù)涔こ獭?br/>

(10)程序性能分析和優(yōu)化。借助Poly—inspector工具提供的交互式報(bào)告環(huán)境，可以對多核軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行性能分析，方便用戶進(jìn)行程序優(yōu)化和調(diào)整。

結(jié)論

當(dāng)前計(jì)算環(huán)境變得越來越多元化，DSP、可編程邏輯器件(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)、圖形處理器(Graphics Processing Unit，GPU)都具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，并適用于不同的應(yīng)用場合。多核處理器是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，而高集成度的異構(gòu)多核處理器是未來的發(fā)展趨勢?；诙嗪说能浖_發(fā)始終是一個(gè)難點(diǎn)，給軟件開發(fā)人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)。本文提出的基于MCAPI的多核軟件開發(fā)方法可應(yīng)用于同構(gòu)多核、異構(gòu)多核以及多處理器平臺，通用性較強(qiáng)，不受廠商、處理器、操作系統(tǒng)的限制，可幫助用戶簡化軟件設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程中的拓?fù)湓O(shè)計(jì)、運(yùn)算負(fù)載平衡以及核間通信和資源分配等工作，顯著地提升開發(fā)效率。

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