Nghiên cứu thuật toán điều khiển thích nghi luồng tham chiếu để nâng cao tốc độ cho các hệ xử lý song song chuyên dụng

Nghiên cứu thuật toán điều khiển thích nghi luồng tham chiếu để nâng cao tốc độ cho các hệ xử lý song song chuyên dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CHU ĐỨC TOÀN NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI LUỒNG THAM CHIẾU ĐỂ NÂNG CAO TỐC ĐỘ CHO CÁC HỆ XỬ LÝ SONG SONG CHUYÊN DỤNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2013 B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO T ẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ________________ CHU ĐỨC TOÀN NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI LUỒNG THAM CHIẾU ĐỂ NÂNG CAO TỐC Đ Ộ CHO CÁC HỆ XỬ LÝ SONG SONG CHUYÊN DỤNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số: 62.52.02.16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Cán bộ hướng dẫn khoa học 1 Cán bộ hướng dẫn khoa học 2 PGS. TS. Đỗ Xuân Tiến PGS.TS. Nguyễn Hữu Công THÁI NGUYÊN - 2013 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả mới nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Ngày 21 tháng 6 năm 2013 Tác giả luận án Chu Đức Toàn ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ các thầy, cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến tập thể hướng dẫn PGS.TS Đỗ Xuân Tiến – Học viện KTQS, PGS.TS Nguyễn Hữu Công – Đại học Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận án. Tôi xin cảm ơn đến ban chủ nhiệm và hội đồng khoa học của bộ môn: Tự động hóa XNCN - Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên; bộ môn Kỹ thuật Vi xử lý – Học viện Kỹ thuật Quân sự. Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo và các chuyên viên Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Vi xử lý – Học viện Kỹ thuật Quân sự, đã tạo điều kiện về trang thiết bị thực nghiệm để tôi hoàn thành được phần thực nghiệm và mô phỏng của luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Sau đại học - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên, xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học Nghiên cứu sinh. Tác giả luận án Chu Đức Toàn iii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục………………………………………………………………… iii Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt………………………………. vi Danh mục các bảng……………………………………………………… viii Danh mục các hình vẽ và đồ thị……………………………………… ix MỞ ĐẦU……………………………………………………………… 1 Chương 1. KIẾN TRÚC HỆ XỬ LÝ SONG SONG ĐA CPU 6 1.1. Tài nguyên hệ thống……………………………………… 6 1.1.1. Tài nguyên phần cứng…………………………………………. 6 1.1.2. Tài nguyên phần mềm………………………………………… 6 1.2. Định nghĩa hệ xử lý song song ………………………… 7 1.3. Phân loại hệ xử lý song song………………………………………. 7 1.3.1. Sơ đồ phân loại của Flynn……………………………………. 8 1.3.2. Sơ đồ phân loại của Handler…………………………………. 9 1.4. Kiến trúc chung hệ xử lý song song đa CPU………………………. 10 1.4.1 Mô hình…………………………………………………………. 11 1.4.2 Những vấn đề liên quan đến hiệu năng………………………… 12 1.5. Kiến trúc chung hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng…… 19 1.5.1. Các đặc trưng của hệ xử lý song song chuyên dụng………… 19 1.5.2. Kiến trúc của hệ xử lý song song chuyên dụng………………… 21 1.6. Luận giải, định hướng nghiên cứu của đề tài………………………. 25 1.7. Kết luận chương 1………………………………………… 30 Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC THAM CHI ẾU BỘ NHỚ DÙNG CHUNG TRONG HỆ XỬ LÝ SONG SONG ĐA CPU CHUYÊN DỤNG 31 2.1. Cơ sở lý thuyết 31 iv 2.2. Xây d ựng mô hình toán học tham chiếu bộ nhớ dùng chung trong hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng……………………………… 35 2.2.1. Mô hình truyền thống tham chi ếu bộ nhớ dùng chung trong hệ xử lý song song đa CPU………… 35 2.2.2. Mô hình c ải tiến tham chiếu bộ nhớ dùng chung trong hệ xử lý song song đa CPU………… 36 2.2.2.1. Xác định đại lượng P – Xác su ất thanh ghi tham chiếu lối vào rỗi………… 37 2.2.2.2. Xác định đại lượng E p – Hiệu năng khi các hàng đ ợi của các mô đun nhớ đầy ………… 44 2.2.2.3. Xác định E l - Hiệu năng khi thanh ghi tham chiếu lối vào b ăng nhớ rỗi…………………………………………………………………………… 47 2.3. Kết luận chương 2…………………………………………………. 51 Chương 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐI ỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ XỬ LÝ SONG SONG ĐA CPU CHUYÊN DỤNG………. 53 3.1. Xây dựng phần mềm khảo sát 53 3.1.1. Xây dựng mô đun chính phần mềm khảo sát 53 3.1.2. Xây dựng mô đun phần mềm tính toán hiệu năng h ệ xử lý song song đa CPU trong quan hệ với chu kỳ bộ nhớ dùng chung T c 55 3.1.3. Xây dựng mô đun phần mềm tính toán hiệu năng h ệ xử lý song song đa CPU trong quan hệ với số lượng luồng tham chiếu n 57 3.1.4. Xây dựng mô đun phần mềm tính toán hiệu năng h ệ xử lý song song đa CPU trong quan hệ với chu kỳ bộ nhớ T c khi kh ảo sát ở giá trị ρ=0,5.……………………………………………… 59 3.2. Khảo sát, đánh giá hiệu năng mô hình điều khiển …………………. 61 3.3. Xây dựng mô hình điều khiển thích nghi………………………… 65 3.4. Công nghệ FPGA 68 3.4.1. Tái kiến trúc phần cứng bằng chương trình 68 v 3.4.2. Thiết kế hệ thống trên FPGA 73 3.5. Sơ đồ nguyên lý điều khiển thích nghi theo tham số m 81 3.6. Kết luận chương 3………………………………………… 83 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 84 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa  Là tốc độ tới của hệ thống  Là tốc độ phục vụ của hệ thống T a Thời gian truy nhập bộ nhớ  Thời gian trễ mạch chốt E Hiệu năng của bộ nhớ song song dùng chung E P Hiệu năng của một tham chiếu khi thanh ghi tham chiếu lối vào bận E l Hiệu năng khi thanh ghi tham chiếu lối vào rỗi T l Chu kỳ của băng logic T p Chu kỳ hiệu quả của bộ nhớ T d Độ trễ nhỏ nhất để truyền một tham chiếu từ hàng chờ vào môđun nhớ T c Chu kỳ vật lý của môđun nhớ P Xác suất thanh ghi lối vào rỗi k Số môđun nhớ trong mỗi băng logic l Số lượng băng logic trong hệ thống m Kích thước hàng chờ của mỗi môđun nhớ q Tốc độ khởi tạo tham chiếu trung bình của mỗi CPU (Xác suất một luồng tham chiếu đang ở trạng thái tự do sẽ khởi tạo một tham chiếu)  Xác suất mà một luồng tham chiếu ở trạng thái tự do  Xác suất một luồng tham chiếu đang thực hiện một tham chiếu thành công  Xác suất một luồng tham chiếu đang thực hiện một tham chiếu không thành công  Xác suất để một tham chiếu thành công vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ALU Arithmetic Logic Unit đơn vị logic số học CISC Bộ VXL với tập lệnh đầy đủ CU Control Unit – đơn vị điều khiển; DS Data stream – luồng dữ liệu EX Execution - Thực hiện lệnh FIFO First In First Out - Vào trước ra trước FPGA Field Programmable Gate Array mảng cổng logic lập trình được ID Instruction decoder – giải mã lệnh IF Instruction fetch – nạp lệnh IS Instruction stream – luồng lệnh MIMD Multiple Instruction Multiple Data - Đa dòng lệnh đa dòng dữ liệu MM Memory Module – Mô đun nhớ; OF Operate Fetch – nạp toán hạng PE Processing Element – Phần tử xử lý PU Processing Unit – Đơn vị xử lý. RISC Bộ vi xử lý với tập lệnh rút gọn TGBL Thanh ghi băng logic KGNDC Không gian nhớ dùng chung viii DANH MỤC CÁC BẢNG Danh mục Nội dung Trang Bảng 1.1: Phân loại kiến trúc của Flynn 8 Bảng 1.2: Sơ đồ phân loại của Erlanger 10 Bảng 1.3: So sánh một số tính năng của hệ xử lý song song đa dụng và chuyên dụng 21 Bảng 1.4: Thống kê khả năng xuất hiện các loại lệnh 24 Bảng 3.1: Xác suất một yêu cầu đến khi hàng đợi chưa đầy theo m và ρ với qui tắc hàng đợi M/D/1/m 63 Bảng 3.2: Bảng điều khiển 83 [...]... Nghi n cứu thuật toán điều khiển thích nghi luồng tham chiếu để nâng cao tốc độ cho các hệ xử lý song song chuyên dụng ” 2 Đối tượng và phạm vi nghi n cứu - Đối tượng nghi n cứu luận án là KGNDC trong hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng - Phạm vi nghi n cứu của luận án là giới hạn trong việc xây dựng mô hình toán học tham chiếu tới KGNDC trong hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng, chỉ rõ các điều. .. về hệ xử lý song song đa dụng và hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng Bảng 1.3: So sánh một số tính năng của hệ xử lý song song đa CPU đa dụng và chuyên dụng Thông số hệ thống Hệ xử lý song song Hệ xử lý song song đa dụng chuyên dụng Tốc độ Càng lớn càng tốt Lớn theo yêu cầu Chức năng Đa năng Chuyên năng Độ phức tạp cấu trúc hệ thống Rất phức tạp Chương trình điều khiển Quan hệ chương trình điều khiển. .. khiển thích nghi luồng tham chiếu tới KGNDC cho hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng nhằm nâng cao hiệu năng, nâng cao tốc độ, giảm thiểu tối đa xác suất xung đột khi truy cập tài nguyên dùng chung 5 4.2 Về thực tiễn Kết quả nghi n cứu sẽ làm tài liệu tham khảo cho sinh viên và học viên cao học cũng như các nhà nghi n cứu quan tâm nghi n cứu về hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng Từ kết quả nghi n cứu. .. trúc của hệ thống xử lý song song đa CPU chuyên dụng Phân tích các kết quả nghi n cứu trong và ngoài nước với các hướng nghi n cứu về hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng như mở rộng phạm vi ứng dụng, ứng dụng các phương pháp điều khiển hiện đại Đề xuất phương pháp và các nội dung cần nghi n cứu là phương pháp điều khiển thích nghi luồng tham chiếu tới KGNDC dựa trên lý thuyết hàng đợi nhằm nâng cao hiệu... của hệ xử lý, phần mềm hệ thống (hệ điều hành), thuật toán tính toán, ngôn ngữ lập trình… Ý tưởng nghi n cứu kỹ thuật xử lý song song theo hướng chuyên dụng cho từng lớp bài toán để đạt được tiêu chí về tốc độ, về độ tin cậy được đặt ra là có ý nghĩa thực tế, đáp ứng nhu cầu phát triển ứng dụng Nghi n cứu về hệ xử lý song song hiện nay tập chung hai hướng nghi n cứu chính như sau: Một là nghi n cứu các. .. nhớ cục bộ, xác suất xung đột các luồng tham chiếu ở bộ nhớ dùng chung ) 1.3 Phân loại hệ xử lý song song đa CPU Phân loại tổng quát nhất đối với các hệ xử lý song song là hệ xử lý song song đa dụng và hệ xử lý song song chuyên dụng Hệ xử lý song song đa dụng về bản chất là các hệ máy tính từ siêu máy tính, máy tính lớn, máy tính mini đến kiến trúc song song kết chùm (cluster) các máy tính PC Những máy... năng cho mô hình toán học tham chiếu tới KGNDC trong hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng - Mô tả toán học mô hình bộ nhớ dùng chung trong hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng - Nghi n cứu xây dựng hệ thống điều khiển thích nghi luồng tham chiếu sử dụng công nghệ đương đại FPGA 4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn luận án 4.1 Về mặt khoa học Ý nghĩa khoa học là nghi n cứu triển khai ứng dụng các bộ điều khiển. .. Trong thực tế, các ràng buộc về chi phí cần bao gồm cả chi phí của mạng liên kết bộ xử lý - bộ nhớ Như vậy vấn đề tổ chức bộ nhớ sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu năng chung của hệ xử lý song song 1.5 Kiến trúc của hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng 1.5.1 Các đặc trưng của hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng Khác với hệ xử lý song song đa CPU đa dụng, hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng có những... là các tài nguyên nằm ở lớp vật lý (tài nguyên lõi), nơi mà các ánh xạ của chúng thường là ánh xạ trực tiếp tới phần cứng của hệ xử lý song song 1.2 Các định nghĩa về hệ xử lý song song - Xử lý song song là quá trình xử lý nhiều tiến trình được phát động đồng thời và cùng tham gia giải quyết một nhiệm vụ - Hệ xử lý song song là một kiến trúc hệ thống bao gồm nhiều hệ xử lý có khả năng xử lý song song... ngày nay Để tăng tốc độ cho các hệ xử lý, các nhà thiết kế chế tạo đã áp dụng các công nghệ tiên tiến, từng bước nâng cấp hoàn thiện cho các bộ vi xử lý Điển hình là cấu trúc bộ vi xử lý với tập lệnh đầy đủ (CISC), bộ vi xử lý với tập lệnh rút gọn RISC [10], [12] Những nghi n cứu về kiến trúc hệ thống số đã khẳng định được ưu thế nổi bật của hệ thống xử lý song song Tuy nhiên, xử lý song song là vấn . NGHI N CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI LUỒNG THAM CHIẾU ĐỂ NÂNG CAO TỐC Đ Ộ CHO CÁC HỆ XỬ LÝ SONG SONG CHUYÊN DỤNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã. Nghi n cứu thuật toán điều khiển thích nghi luồng tham chiếu để nâng cao tốc độ cho các hệ xử lý song song chuyên dụng ”. 2. Đối tượng và phạm vi nghi n cứu - Đối tượng nghi n cứu luận án. CHU ĐỨC TOÀN NGHI N CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI LUỒNG THAM CHIẾU ĐỂ NÂNG CAO TỐC ĐỘ CHO CÁC HỆ XỬ LÝ SONG SONG CHUYÊN DỤNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÁI