嵌入式多核處理器硬件結(jié)構(gòu)分析與對排序算法進行并行化優(yōu)化

目前，已經(jīng)在嵌入式設(shè)備領(lǐng)域得到廣泛運用，但嵌人式系統(tǒng)軟件開發(fā)技術(shù)還停留在傳統(tǒng)單核模式，并沒有充分發(fā)揮多核處理器的性能。程序優(yōu)化目前在PC平臺上有一定運用，但在嵌入式平臺上還很少，另外，嵌入式多核處理器與PC平臺多核處理器有很大不同，因此不能直接將PC平臺的并行化優(yōu)化方法應(yīng)用到嵌人式平臺。本文分別從任務(wù)并行和緩存優(yōu)化兩方面進行并行化優(yōu)化的研究，探索在嵌人式多核處理器上對程序進行并行化優(yōu)化的方法。

1 嵌入式多核處理器結(jié)構(gòu)

嵌人式多核處理器的結(jié)構(gòu)包括同構(gòu)(SymmetrIC)和異構(gòu)(Asymmetric)兩種。同構(gòu)是指內(nèi)部核的結(jié)構(gòu)是相同的，這種結(jié)構(gòu)目前廣泛應(yīng)用在PC多核處理器;而異構(gòu)是指內(nèi)部核的結(jié)構(gòu)是不同的，這種結(jié)構(gòu)常常在嵌入式領(lǐng)域使用，常見的是通用嵌入式處理器+DSP核。本文探究的嵌入式多核處理器采用同構(gòu)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)同一段代碼在不同處理器上的并行執(zhí)行。

圖1 SMP處理器結(jié)構(gòu)

在目前嵌入式領(lǐng)域中，使用最為廣泛的為ARM 處理器，因此以ARM 雙核處理器OMAP4430作為研究對象。ARM 對稱多處理(Symmetric Multi—Processing，SMP)結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)程序的局部性原理，每一個處理器都具有私有的內(nèi)存(al Memory)，常見的是一級緩存(L1Cache)。然而，多個處理器之間又涉及到相互通信問題，因此在常見的ARM 處理器中使用二級緩存(L2 Cache)來解決這一問題。基于對稱多處理器結(jié)構(gòu)，所有的處理器(通常為2的倍數(shù))在硬件結(jié)構(gòu)上都是相同的，在使用系統(tǒng)資源上也是平等的。更重要的是，由于所有的處理器都有權(quán)利去訪問相同的內(nèi)存空間，在共享內(nèi)存區(qū)域中，任何一個進程或者線程都可以運行在任意一個處理器之上，這樣就使得程序的并行化成為可能。2在嵌入式多核平臺上進行并行化優(yōu)化，需要考慮以下問題：

① 并行化程序的性能取決于程序中串行化部分，程序性能不會隨著并行線程數(shù)目的提升而不斷提升;

② 嵌入式多核處理器相對于PC處理器而言，其總線速度較慢，并且緩存(Cache)更小，會造成大量數(shù)據(jù)在內(nèi)存(Memory)和緩存(Cache)問不斷拷貝，因此在進行并行化優(yōu)化的過程中，應(yīng)考慮緩存友好性(Cache friendly);

③ 程序并行化執(zhí)行線程數(shù)目應(yīng)當(dāng)小于或等于物理處理器的數(shù)目，線程過多會造成線程間搶占處理器資源，致使并行化性能下降。

2 OpenMP并行化優(yōu)化

2.1 0penMP工作原理簡介

OpenMP是一個基于共享內(nèi)存模式的跨平臺多線程并行的編程接口。主線程生成一系列的子線程，并將任務(wù)映射到子線程進行執(zhí)行，這些子線程并行執(zhí)行，由運行時環(huán)境將線程分配給不同的物理處理器。默認情況下，各個線程獨立執(zhí)行并行區(qū)域的代碼?？梢允褂脀ork-sharingconstructs來劃分任務(wù)，使每個線程執(zhí)行其分配部分的代碼。通過這種方式，使用OpenMP可以實現(xiàn)任務(wù)并行和數(shù)據(jù)并行。

圖2 任務(wù)并行模型

任務(wù)并行模式創(chuàng)建一系列獨立的線程，每一個線程運行一個任務(wù)，線程之間相互獨立，如圖2所示。OpenMP使用編譯原語session directive和task directive來實現(xiàn)任務(wù)分配，每個線程可以獨立運行不同的代碼區(qū)域，同時支持任務(wù)的嵌套和遞歸。一旦創(chuàng)建任務(wù)，該任務(wù)就可能會在線程池(其大小等于物理線程數(shù)目)中空閑的線程上執(zhí)行。

數(shù)據(jù)并行也就是數(shù)據(jù)級并行，對任務(wù)中處理的數(shù)據(jù)進行分塊并行執(zhí)行，如圖3所示。C語言中的for循環(huán)最適合使用數(shù)據(jù)并行。

圖3 數(shù)據(jù)并行模型

2.2 快速排序算法原理

快速排序算法是一種遞歸分治算法，算法中最為關(guān)鍵的就是確定哨兵元素(pivot data)。數(shù)據(jù)序列中小于哨兵的數(shù)據(jù)將會放在哨兵元素的左側(cè)，序列中大于哨兵的數(shù)據(jù)將會被放在哨兵元素的右側(cè)。當(dāng)完成數(shù)據(jù)掃描后，哨兵元素分成的左右兩個部分就會調(diào)用快速排序算法遞歸進行。

快速排序算法中涉及算法的遞歸調(diào)用，會產(chǎn)生大量任務(wù)，并且這些任務(wù)相互獨立，非常適合OpenMP的任務(wù)并行模式;另外，就一次快速排序搜索算法而言，哨兵元素對于左右子區(qū)間數(shù)據(jù)容量大小具有決定性作用，考慮到嵌入式平臺的緩存(Cache)空間較小，需要對哨兵元素篩選算法進行優(yōu)化，盡量使得劃分出來的左右子區(qū)間更均衡，滿足均衡的要求。

2.3 任務(wù)并行化優(yōu)化

通過對快速排序算法的分析，快速排序是一個遞歸調(diào)用算法，算法的執(zhí)行過程中會產(chǎn)生大量重復(fù)函數(shù)調(diào)用，并且函數(shù)的執(zhí)行相互獨立。對于快速排序的一次掃描運算而言，算法首先確定哨兵元素(pivot)，并對數(shù)據(jù)序列進行一次調(diào)整，然后對哨兵元素的左右區(qū)間再次進行遞歸調(diào)用算法。

如下所示，對任務(wù)并行化優(yōu)化針對每次掃描調(diào)整后的左右子區(qū)間，將每個子區(qū)間的運算抽象為一個任務(wù)，并通過OpenMP中的任務(wù)并行化原語#pragma omp task實現(xiàn)任務(wù)的并行化執(zhí)行，從而實現(xiàn)了快速排序的任務(wù)并行化優(yōu)化。

任務(wù)空間中的數(shù)據(jù)大小取決于哨兵元素，因此，算法選取的劃分算法(Partition Algorithm)應(yīng)盡量將數(shù)據(jù)序列的劃分均衡化，本文使用簡單劃分算法和三元中值法(Median-of-Three Method)進行測試。

2.4 緩存優(yōu)化

緩存優(yōu)化(Cache friendly)的目標(biāo)是減少數(shù)據(jù)在內(nèi)存和緩存之間的拷貝。對于220個整型數(shù)據(jù)而言，數(shù)據(jù)大小為4 MB，本文的測試平臺()MAP4430的二級緩存為1 MB，需要將數(shù)據(jù)劃分為4個部分。

如下所示，算法將4部分數(shù)據(jù)分為4個快速排序任務(wù)，4部分任務(wù)并行執(zhí)行，完成后每部分數(shù)據(jù)序列排序完成，需要將4部分數(shù)據(jù)進行合并形成完成數(shù)據(jù)序列，因此在并行任務(wù)結(jié)束后，需要對數(shù)據(jù)進行歸并排序。

3 并行化性能分析

3.1 實驗環(huán)境介紹

本文采用德州儀器(Texas Instruments)的OMAP4430嵌入式開發(fā)平臺。OMAP443O為嵌入式多核處理器，擁有對稱多處理雙核ARM 處理器(Dual—core ARM Cortex—A、一級緩存32 KB、二級緩存1 MB，嵌入式操作系統(tǒng)采用Ubuntul2.O4內(nèi)核，編譯器為arm—linux—gnueabihf—g，使用GNU gprof獲取算法執(zhí)行時間。

3.2 性能測試

如下式所示，采用計算加速比的方式來分析并行優(yōu)化的性能，加速比數(shù)值越大表示算法的并行程度越高，最低為1。性能測試采用4個算法版本，包括串行版本、并行2線程、并行4線程和緩存優(yōu)化版，從不同角度來分析性能。

如圖4所示，從折線圖可以看出，3種并行化優(yōu)化算法相對于串行版本，算法的并行性能都有較大提升，如表1所列，其并行加速比分別為1.30、1.29和1.21。對任務(wù)并行優(yōu)化方案而言，分別使用2線程和4線程版本進行測試，從加速比的分析結(jié)果看來，2線程版本較4線程版本略好。理論上并行線程的數(shù)目越多性能越好，但本文采用OMAP443O只有兩個對稱多處理核心，即使算法擁有4個并行線程，但實際執(zhí)行的線程只有2個，同時4個線程在獲取2個物理處理器時存在競爭關(guān)系，因而造成性能較之2線程版本有所下降。

圖4 算法執(zhí)行時間

評價并行算法優(yōu)劣還需考慮算法的負載均衡性，如表1、表2所列，緩存優(yōu)化方案標(biāo)準(zhǔn)差遠遠小于任務(wù)并行化方案。究其原因，對于任務(wù)并行化方案而言，不同的測試數(shù)據(jù)以及劃分算法(partition)對區(qū)間的劃分有重要影響，從而造成任務(wù)執(zhí)行時間變化范圍很大;對于緩存優(yōu)化方案而言，其實質(zhì)是數(shù)據(jù)并行，其每一個任務(wù)都是根據(jù)緩存大小進行劃分，因此每一個任務(wù)處理的數(shù)據(jù)規(guī)?；疽恢?，每一個任務(wù)執(zhí)行的時間更確定，但由于并行任務(wù)執(zhí)行完成后，需要對數(shù)據(jù)進行歸并，造成一定的性能下降。

結(jié)語

本文通過對嵌入式多核處理器硬件結(jié)構(gòu)的分析，從對稱多處理角度對串行快速排序算法進行并行化優(yōu)化，取得了很好的效果。

以ARM 雙核處理器(OMAP4430)作為測試平臺，從任務(wù)并行和緩存優(yōu)化實現(xiàn)并行優(yōu)化，從性能測試的結(jié)果看，任務(wù)并行具有良好的加速比，但負載均衡性差，并行線程數(shù)目不應(yīng)超過物理處理器核的數(shù)目，過多的并行線程競爭處理器資源，造成性能下降。緩存優(yōu)化具有良好的負載均衡性，但需要后續(xù)進行歸并操作，造成性能有所下降。

總之，在嵌入式多核處理器上進行并行化優(yōu)化，一方面要充分發(fā)掘嵌人式多核處理器的并行性能，提高程序的并行性;另一方面也要考慮程序算法的負載均衡性，確保在不同應(yīng)用環(huán)境中程序性能一致。