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嵌入式ARM多核处理器并行化方法分析

出处:eefocus 发布于:2018-02-02 | 626 次阅读

    目前,已经在嵌入式设备领域得到广泛运用,但嵌人式系统软件开发技术还停留在传统单核模式,并没有充分发挥多核处理器的性能。程序优化目前在PC平台上有一定运用,但在嵌入式平台上还很少,另外,嵌入式多核处理器与PC平台多核处理器有很大不同,因此不能直接将PC平台的并行化优化方法应用到嵌人式平台。本文分别从任务并行和缓存优化两方面进行并行化优化的研究,探索在嵌人式多核处理器上对程序进行并行化优化的方法。

    1 嵌入式多核处理器结构

    嵌人式多核处理器的结构包括同构(SymmetrIC)和异构(Asymmetric)两种。同构是指内部核的结构是相同的,这种结构目前广泛应用在PC多核处理器;而异构是指内部核的结构是不同的,这种结构常常在嵌入式领域使用,常见的是通用嵌入式处理器+DSP核。本文探究的嵌入式多核处理器采用同构结构,实现同一段代码在不同处理器上的并行执行。

     

     

    图1  SMP处理器结构

    在目前嵌入式领域中,使用最为广泛的为ARM 处理器,因此以ARM 双核处理器OMAP4430作为研究对象。ARM 对称多处理(Symmetric Multi—Processing,SMP)结构如图1所示,根据程序的局部性原理,每一个处理器都具有私有的内存(al Memory),常见的是一级缓存(L1Cache)。然而,多个处理器之间又涉及到相互通信问题,因此在常见的ARM 处理器中使用二级缓存(L2 Cache)来解决这一问题。基于对称多处理器结构,所有的处理器(通常为2的倍数)在硬件结构上都是相同的,在使用系统资源上也是平等的。更重要的是,由于所有的处理器都有权利去访问相同的内存空间,在共享内存区域中,任何一个进程或者线程都可以运行在任意一个处理器之上,这样就使得程序的并行化成为可能。2在嵌入式多核平台上进行并行化优化,需要考虑以下问题:

    ① 并行化程序的性能取决于程序中串行化部分,程序性能不会随着并行线程数目的提升而不断提升;

    ② 嵌入式多核处理器相对于PC处理器而言,其总线速度较慢,并且缓存(Cache)更小,会造成大量数据在内存(Memory)和缓存(Cache)问不断拷贝,因此在进行并行化优化的过程中,应考虑缓存友好性(Cache friendly);

    ③ 程序并行化执行线程数目应当小于或等于物理处理器的数目,线程过多会造成线程间抢占处理器资源,致使并行化性能下降。

    2 OpenMP并行化优化

    2.1 0penMP工作原理简介

    OpenMP是一个基于共享内存模式的跨平台多线程并行的编程接口。主线程生成一系列的子线程,并将任务映射到子线程进行执行,这些子线程并行执行,由运行时环境将线程分配给不同的物理处理器。默认情况下,各个线程独立执行并行区域的代码。可以使用work-sharingconstructs来划分任务,使每个线程执行其分配部分的代码。通过这种方式,使用OpenMP可以实现任务并行和数据并行。

     

     

    图2 任务并行模型

    任务并行模式创建一系列独立的线程,每一个线程运行一个任务,线程之间相互独立,如图2所示。OpenMP使用编译原语session directive和task directive来实现任务分配,每个线程可以独立运行不同的代码区域,同时支持任务的嵌套和递归。一旦创建任务,该任务就可能会在线程池(其大小等于物理线程数目)中空闲的线程上执行。

    数据并行也就是数据级并行,对任务中处理的数据进行分块并行执行,如图3所示。C语言中的for循环最适合使用数据并行。

     

     

    图3 数据并行模型

    2.2 快速排序算法原理

    快速排序算法是一种递归分治算法,算法中最为关键的就是确定哨兵元素(pivot data)。数据序列中小于哨兵的数据将会放在哨兵元素的左侧,序列中大于哨兵的数据将会被放在哨兵元素的右侧。当完成数据扫描后,哨兵元素分成的左右两个部分就会调用快速排序算法递归进行。

    快速排序算法中涉及算法的递归调用,会产生大量任务,并且这些任务相互独立,非常适合OpenMP的任务并行模式;另外,就一次快速排序搜索算法而言,哨兵元素对于左右子区间数据容量大小具有决定性作用,考虑到嵌入式平台的缓存(Cache)空间较小,需要对哨兵元素筛选算法进行优化,尽量使得划分出来的左右子区间更均衡,满足均衡的要求。

    2.3 任务并行化优化

    通过对快速排序算法的分析,快速排序是一个递归调用算法,算法的执行过程中会产生大量重复函数调用,并且函数的执行相互独立。对于快速排序的一次扫描运算而言,算法首先确定哨兵元素(pivot),并对数据序列进行一次调整,然后对哨兵元素的左右区间再次进行递归调用算法。

    如下所示,对任务并行化优化针对每次扫描调整后的左右子区间,将每个子区间的运算抽象为一个任务,并通过OpenMP中的任务并行化原语#pragma omp task实现任务的并行化执行,从而实现了快速排序的任务并行化优化。

     

     

     

     

    任务空间中的数据大小取决于哨兵元素,因此,算法选取的划分算法(Partition Algorithm)应尽量将数据序列的划分均衡化,本文使用简单划分算法和三元中值法(Median-of-Three Method)进行测试。

    2.4 缓存优化

    缓存优化(Cache friendly)的目标是减少数据在内存和缓存之间的拷贝。对于220个整型数据而言,数据大小为4 MB,本文的测试平台()MAP4430的二级缓存为1 MB,需要将数据划分为4个部分。

    如下所示,算法将4部分数据分为4个快速排序任务,4部分任务并行执行,完成后每部分数据序列排序完成,需要将4部分数据进行合并形成完成数据序列,因此在并行任务结束后,需要对数据进行归并排序。

     

     

     

     

    3 并行化性能分析

    3.1 实验环境介绍

    本文采用德州仪器(Texas Instruments)的OMAP4430嵌入式开发平台。OMAP443O为嵌入式多核处理器,拥有对称多处理双核ARM 处理器(Dual—core ARM Cortex—A、一级缓存32 KB、二级缓存1 MB,嵌入式操作系统采用Ubuntul2.O4内核,编译器为arm—linux—gnueabihf—g,使用GNU gprof获取算法执行时间。

    3.2 性能测试

    如下式所示,采用计算加速比的方式来分析并行优化的性能,加速比数值越大表示算法的并行程度越高,最低为1。性能测试采用4个算法版本,包括串行版本、并行2线程、并行4线程和缓存优化版,从不同角度来分析性能。

     

     

    如图4所示,从折线图可以看出,3种并行化优化算法相对于串行版本,算法的并行性能都有较大提升,如表1所列,其并行加速比分别为1.30、1.29和1.21。对任务并行优化方案而言,分别使用2线程和4线程版本进行测试,从加速比的分析结果看来,2线程版本较4线程版本略好。理论上并行线程的数目越多性能越好,但本文采用OMAP443O只有两个对称多处理核心,即使算法拥有4个并行线程,但实际执行的线程只有2个,同时4个线程在获取2个物理处理器时存在竞争关系,因而造成性能较之2线程版本有所下降。

     

     

    图4 算法执行时间

    评价并行算法优劣还需考虑算法的负载均衡性,如表1、表2所列,缓存优化方案标准差远远小于任务并行化方案。究其原因,对于任务并行化方案而言,不同的测试数据以及划分算法(partition)对区间的划分有重要影响,从而造成任务执行时间变化范围很大;对于缓存优化方案而言,其实质是数据并行,其每一个任务都是根据缓存大小进行划分,因此每一个任务处理的数据规模基本一致,每一个任务执行的时间更确定,但由于并行任务执行完成后,需要对数据进行归并,造成一定的性能下降。

     

     

    结语

    本文通过对嵌入式多核处理器硬件结构的分析,从对称多处理角度对串行快速排序算法进行并行化优化,取得了很好的效果。

    以ARM 双核处理器(OMAP4430)作为测试平台,从任务并行和缓存优化实现并行优化,从性能测试的结果看,任务并行具有良好的加速比,但负载均衡性差,并行线程数目不应超过物理处理器核的数目,过多的并行线程竞争处理器资源,造成性能下降。缓存优化具有良好的负载均衡性,但需要后续进行归并操作,造成性能有所下降。

    总之,在嵌入式多核处理器上进行并行化优化,一方面要充分发掘嵌人式多核处理器的并行性能,提高程序的并行性;另一方面也要考虑程序算法的负载均衡性,确保在不同应用环境中程序性能一致。


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