多核多线程处理器（精选4篇）
多核多线程处理器 篇1
伴随着计算机硬件以及软件的快速发展, 多核心的C P U正在快速普及到各个部门, 当前撑血设计和软件开发的热门问题是电脑上的并行计算。微机系统的并行计算能力已经成为了未来研究的主要方向, 利用多核心的c p u迅速普及为多核多线程处理器奠定了基础。提高处理器性能最常用的办法是提高主频, 但是这会增加处理器耗能以及设计上的困难。同时, 因为耗能的关系, 热量会导致芯片的运行不稳定, 还容易造成空间上的浪费。
1、分块矩阵
所谓的分块矩阵值指的是一个矩阵, 它吧矩阵分别根据横竖分割成笑得子矩阵, 接着把每一个子矩阵当成一个元素, 分块矩阵的非零子矩阵如果都在对角线上, 就成为对角矩阵。分块矩阵满足惩罚和加法, 并且哦都市可以变换成约当标准型。设计矩阵惩罚的并行计算的作用是用来提高增加矩阵的惩罚计算率, 它是最为普遍的分块计算。利用多线程的程序进行设计矩阵惩罚有很多种方法, 可以直接按惩罚定义多线程的设计, 结合分块矩阵乘法也可以进行多线程的设计。
按照定义直接进行多线程的变成例如用n阶方阵A×B的乘法, 矩阵A是n个行向量:ai={X1, X2, ……Xn} (1≤j≤n) , B矩阵看着n个列向量b1={y1, y2, ……yn} (1≤j≤n) A×B的结构每个元素就是ai×b1 (1≤j≤n, 1≤j≤n) , 这是用定义进行每个线程的设计, 也就是每一个线程做一个向量的乘法最后得到一个A×B结果的元素, 这样需要n×n的线程。
用定义设计的优点是逻辑简单易懂便操作, 线程之间不需要通信, 因此线程同步的问题是不存在的。但是缺点也非常多, 比如规模增大, 线程数量就会跟着飞速增多, 对于电脑的CPU和操作的系统而言, 大量的线程是难以承受的。因此需要改进数量的线程, 进行多次的n×n个线程可以避免难以承受的情况。
矩阵分块后块内并行计算的多线程设计是把矩阵A作为水平线, 列间作为铅垂线把矩阵分成一些块, 把它成为矩阵A的分块, 例如下面4×4的矩阵A, 被虚线分成4个部分, 每一块都是一个子矩阵 (情况一) :
对于矩阵A和B的线性代数中, 把子矩阵当成矩阵元素, 来设计矩阵乘法。如下:
(情况二)
矩阵分块的重点就是设计块内计算, 合理设置每一个分块的大小以及矩阵的阶数, 也就是决定了并行计算中的线程数。子矩阵的结束也决定了内存的额外开销。这样设计的优点是可以比较精确的控制线程数目, 在整个乘法过程中, 最大线程数是明确的。而难点在于, 要求得乘法结果中的某一个子矩阵的元素, 必须访问A中某一行和B中某一列的全部子矩阵, 如何控制线程同步是这一问题的多线程程序设计所必须解决的问题。此情况下的线程同步需要所有线程执行到某一个点, 再继续执行下一步。如果同步机制设计不好, 会极大地影响效率。
矩阵分块分成了m×n个子矩阵, 然后把每一个矩阵堪称一个元素, 块间的并行设计和第一种情况机会相同, 不同的是每个线程都是定向乘法, 而这一种设计中, 全部都要用子矩阵定向乘法。, 不同的是就和串行算法之间是按照计算矩阵乘法和分块计算矩阵乘法之间的差别类型。块间的并行精算和第一种请款相比, 线程数减少了, 但是线程明显复杂了许多, 同时当矩阵阶数很大的时候, 线程数也会比较大, 运行不稳定, 但是和第二种情况相比, 胯间的并行计算有点事每个线程之间不需要连接和通信, 线程控制简单, 逻辑清晰, 从程序角度比较容易做到。
2、sun将ultra sparc T2处理器开源
Sun把ultra sparc T2处理器的硬件进行了描述理论上任何人都可以用这一技术, 进行描述, 复制, 重建T2处理器。Sun利用大量硬件开发人员、大学。客户社区的下载。
3、多核处理器的出现给软件业带来的机遇
当今对于multi-core (多核) 以及multi-threading的要求越来越高, 提高CPU一共有三种途径:一是增加始终的频率;二是优化处理器的内部结构以及降低平均指令的周期;三是编译器堆成学进行优化, 减少治疗的数量或者降低所生质量的平均指令周期。就现在而言时钟频率的提升空间非常有限, 现在很多开发者已经把视线转秉性技术和编译技术等方面, 同时也非常种猪体系框架的结构方面进行提升。以现在应用市场为里, 处理器的发展不再是硬件的该更新和变化, 而是软件的革命, 多核多线程的处理器对于世界和我国来讲是一个机遇也是一个挑战, 现在大家都将实现转为微机的硬件发展, 焦点是cpu和cpu计算能力的争夺, 也就是传统的串行算法和并行算法之间的争夺战。我国要想应对挑战, 就要陷阱型多核多线的处理器发展和操作系统的更新与开发, 传统的操作系统linux, free bsd, windows等已经成为过去式, 不再是系统未来发展的主流, 几十个核的芯片运行。
4、总结
多核、多线程处理器技术与传统的普通单核和单线程处理器相比有着绝对的优势, 它的出现已经成为日后处理器性能的主要研究方向, 并且多核、多线程处理器也为了日后cpu的开发与研究奠定了基础了。对于cpu而言, 它是能够遇见核心技术增长, 从技术发展是能够保证并行计算。现在已经进入了一个并行计算代替串行计算的的时代, 软件开发和计算能力的提高都需要并行计算的各种算法的协同发展。未来的计算机发展将向一个前所谓的方向大步跨越, 多线多核和矩阵乘法优化将取代传统串行成为主流的运算模式。
多核多线程处理器 篇2
圆周率,就是圆的周长与其直径之比,是一个无理数,同时也是一个超越数。古往今来,这个常数吸引着众多的学者,人们一直在努力地回答圆的周长究竟是其直径的三倍多多少。它是人类认识到的利用第一个特殊常数,古希腊人欧几里得在其所著的《几何原本》中已提到圆周率是常数。圆周率最早是出于解决有关圆的计算问题,几千年来,人类对圆周率的认识过程,反映了数学计算技术发展的一个侧面。
公元前大约1600多年前,古巴比伦王国就已经清楚记载圆周率等于3.125。公元前3世纪,古希腊数学家、物理学家阿基米德(公元前287-212年)用迭代算法和两侧数值逼近的概念,求出3.141851为圆周率的近似值。公元263年,中国数学家刘徽运用“割圆法”给出了3.141024的近似值。此后,公元480年左右,南北朝时期的数学家祖冲之进一步求出精确到小数点后7位的结果,得到不足近似值3.1415926和过剩近似值3.1415927,这个记录保持了达一千年。在解析计算时期,π数学公式的出现使圆周率的计算进入了一个新的阶段,无穷乘积式、无穷连分数、无穷级数等各种π值表达式使得π值计算精度迅速增加。计算机的出现,使圆周率的计算精度进入一个更新的时期。目前的世界纪录已经达到了1013位。
2 BBP算法简介
在20世纪70年代之前所有计算机都是采用古典公式来计算π的,这些公式的共同特点就是:计算为了要计算出π的第k位,必须要计算出k位之前的所有位。因此,当一个能够直接计算出π的第d位的全新公式被发现的时候,带给人们的绝不是一个小小的惊喜。这个公式,被称为Bailey-Borwein-Plouffe公式,简称为BBP公式,相应的算法,被称为BBP算法
在BBP公式下设计的相应算法可以圆周率的任意第n位,而不用计算前面的n-1位。BBP公式如下:
BBP公式作为圆周率计算的众多无穷幂级数方法之一,它的时间复杂度虽然是O(N^2),不及高斯-勒让德算法(GLA),但是实现简单、极容易实现多线程并行运算,使用最为广泛。
算法有如下优点:
(1)算法计算出的小数点后第d位的数字不是以10为基数的,而是以16为基数,也就是实际计算出的是以十六进制表示的超越数的第d位后的数字。
(2)算法不需要多精度浮点算术运算的支持,在支持IEEE浮点运算的通用计算机上即可进行计算。
(3)算法只需要非常少的内存,内存使用效率高。BBP算法打破了传统的圆周率的算法,为圆周率的分布式计算提供了可行性。
3 多核CPU、多线程
现阶段,CPU的发展趋势是继续增加核心数目,由于单个核心性能提升有着严重的瓶颈问题,以后的核心和线程会越来越多。
多线程在单核时代就有很广泛的应用,大多用于降低阻塞带来的CPU闲置资源浪费。而在现在的多核下,可以用作并行计算。
要提高应用程序在多核处理器上的执行效率,减少计算时间,则需要程序员减少串行化的代码用以提高效率,实际情况来选择线程数,提高应用程序本身的并行能力。在多线程运行时,让任务同时处理,让CPU均衡负载。
Java中有两种方式实现多线程,一种是继承扩展Thread类,一种是实现Runnable接口。本文使用的是第二种方法,即实现Runnable接口来创建多线程。
4 BBP算法的并行实现思路
(1)单线程时,依照BBP公式,将同一级的四个分式项加起来,然后对所有级别的结果累加得到16进制结果。
(2)4线程时,将BBP公式的4项分开,分4个线程同步计算。
4项展开公式:
k=0,1,2…∞
最后将4个线程计算得到的4个单项累加求和得到16进制结果。
(3)8线程时,为了分成8个线程同步计算,我们就要把BBP公式变成8项。在公式中每一级有4个分式,所以也就是说把BBP公式展开为第k级和第k+1级的求和,就变成了8项。
8项展开公式:
k=0,2,4…∞
最后将8个线程计算得到的8个单项累加和得到16进制结果。
同理,12线程时把BBP公式变为第k,k+1,k+2级,变成了12个分式进行同步计算,最后12个单项累加求和得到16进制结果,依此类推。
5 实验结果与分析
程序基于双CPU共16核心,求出圆周率16进制的83048位,来比较不同数量的线程得出结果的时间。
如图1所示,从单线程到12线程,线程数量越多,耗时越少,速度与线程数量理想状态下可呈线性关系,但到了16个线程时,耗时升高,并稳定70s左右上下波动。
根据以上实验可以得出,对于多核CPU,在一定限度内增加线程数,此时,CPU的利用率随着提升,程序性能正比提升。但是继续增加线程数量至超过了最大CPU核心数后,CPU的利用率达到了100%,此后,计算性能不再随之上升,甚至略有下降,如图2所示。在线程数小于核心数时,对计算性能随着对核心的利用数增加而增加,但到了所有核心至少有一个计算密集型任务时,增加线程数量,会导致线程之间切换的开销增加而使计算性能略有下降。
参考文献
[1]张晓贵.圆周率计算的四个时期[J].辽宁教育学院学报,2000,17(5):66-69.
[2]杨楠.圆周率在社会生活上的应用[J].延安大学学报(自然科学版),2010,29(4):40-45.
多核多线程处理器 篇3
1 嵌入式的硬件多线程处理器如何设计
当前芯片集成技术以及处理器的设计水平都在不断地发展和进步, 不同的逻辑处理器都能在单一的处理器上进行实现, 这也为硬件的多线程并发运行创造了良好的条件, 针对嵌入式的系统来说, 它的设计必须要充分估计到成本以及复杂程度两方面。在本文当中描述的同时多线程拥有单一的执行内核, 它将传统的处理核心作为基础, 拓展出一个借助硬件逻辑来完成控制的调度管理系统电路, 来完成在硬件层面上的多线程调度作用。
另外, 在处理器中线程调度单元中, 能够将外存中的指令代码按照一定的顺序放置于待执行的线程列当中, 与此同时按照时间片的顺序将其中的指令代码按照次序传送到执行单元当中进行执行。这种处理器的环境之下, 每一个线程都能够受到硬件的控制, 而且能够在自身的时间片当中使用处理器中的资源。在某个特别的时间段当中, 只能有一个单一的线程存在并对资源进行应用。这种形式的处理器具备比较好的处理器内核, 不但降低了设计的复杂性, 它所实现的处理范围比起同等级的处理器来说没有明显的增加, 由此我们可以认为, 借助同时多线程技术可以在最大程度上让操作系统软件不会过多参与, 降低成本, 并且完成单一处理器的芯片系统当中多线程的操作。
对多线程处理器中硬件进行调度控制主要是硬件多线程处理器方面的结构设计以及存储器的资源保护还有指令节拍状态的设计等。
2 如何实现嵌入式的硬件多线程具体执行机制
2.1 多线程机制
对于硬件结构来说, 同时多线程这种技术大部分情况下其处理器都只能存在于处理器的单一核心当中, 执行多线程主要依据的是单位时间片的顺序调度, 实现多种不同的线程方法, 在不同的单位时间片处理器会按照一定次序来完成指令、调整工作时间, 同时保护工作的环境等。
另外, 在处理器进行空间指令的执行流程当中, 一部分内部资源是没有必要一直进行使用的, 像在通用寄存器当中的资源一般只需要在处理器WB节拍以及EX节拍当中才会得到应用。由此我们可以认为, 必须要适当地安排操作的次序, 还要在硬件的结构当中设置一个缓冲寄存器, 在处理器运行当中顺利执行当前的线程, 对下一线程的工作空间进行适当的恢复与保护。
对各个线程运作的空间进行保护的系统主要是由寄存器构成的, 它可以通过在处理器的内部对同等资源进行反复的设定, 将分散资源在页内进行全面实现, 如果处理器需要切换线程就可以通过换页来完成切换。资源分页符需要借助处理器当中的选择器来形成线程号, 在具体的实现过程中怎样能够将操作的过程在最短时间内依次运作完成也是比较重要的问题。
目前在我国的船舶设备研究试验行业当中, 对工作环境进行保护的方式大多都是在多线程的运行环境当中寻求处理器对寄存器以及存储器的保护, 通常依靠这样的两种方法来完成, 其中之一是对页面进行适当管理的方法, 另一个是资源的迅速切换。
2.2 选择线程模块
通过同时多线程这种技术得以实现的线程处理器, 它的每一个硬件线程当中都存在着比较特殊的标志, 依照这些线程号就能够对处理器内部各个硬件的线程进行适当的区分, 在当前获取执行线程号可以借助对控制器进行查询, 获取其最高的三位数。
执行线程的时候, 选择器可以很好地控制线程的执行顺序, 它的主要工作原理如图1。
图1所示的选择器当中存在一个选择线程的阵列, 它输出端所输出的内容是在下一个时间单位片上需要进行运作的线程号;另外, 在控制线程的寄存器当中记录的内容是在当前的运作环境下被成功激活的线程, 借助该寄存器可以很好地提供出一个对处理器进行控制的线程接口。面对当前我国的船舶设备行业的不断发展和进步, 嵌入式的硬件多线程技术也逐渐得到了普及, 特别是在对水声信号进行分析的情况下, 但是需要注意的是, 在不同的环境下它也有不同的利用方式, 这还需要进行更加全面系统的分析。
3 结语
总的来说, 在本文当中进行详细探讨的内容主要是通过硬件的控制来进行多线程调度具体的方式, 在多线程的背景下, 硬件处理器能够拥有非常高效的执行力, 不过想要对其性能进行系统评价, 还需要将多种影响因素进行综合, 以此为依据来进行。
摘要：本文详细探讨了在同时利用多线程技术过程中, 所涉及的硬件多线程设计处理器, 同时借助处理器内的硬件机制对多线程调度进行适当的管理, 试图实现将硬件时间片轮询作为最基本的内容的多线程处理器调度机制, 提升处理器的实施用户所拥有的线程效率, 尽可能的简易化操作, 对多线程工作环境中的线程起到一定保护作用。
关键词：多线程处理器,嵌入式,设计,多线程
参考文献
[1]汪汝.对嵌入式硬件多线程处理器的研究[J].硅谷, 2014 (20) .
多核多线程处理器 篇4
1 Android系统组成
Android的系统架构和其他操作系统一样, 采用了分层的架构。从架构图看 (如图1) , android分为四个层, 从高层到低层分别是应用程序层 (Applications) 、应用程序框架层 (Application Framework) 、系统运行库层 (Libraries、Android Runtime) 和linux核心层 (Linux Kernel) 。
1) 应用程序层:Android应用程序层中, 所有的应用程序都是使用JAVA语言编写的。我们可以编写自己的核心应用程序。
2) 应用程序框架:在android中, 应用程序所使用的API, 开发者可以完全访问。android应用程序的架构设计使得所有开发组件可以非常方便的复用和修改。
3) 函数库层 (Libraries) :Android包含了一些C/C++库, Android系统中的不同的组件都可以使用这些类库。这些类库通过Android应用程序框架为开发者提供开发服务, 进行应用程序的开发。
4) Android运行时库层 (Android Runtime) :Android使用了自有的Android Runtime来执行。
5) linux核心层 (Linux Kernel) :Android系统用的是为2.6的Linux内核版本, 主要包含的功能有内存管理 (Memory Management) 机制、安全控制 (Security) 机制、进程管理 (Process Managemen) 机制、硬件驱动 (Driver Model) 机制、网络协议栈 (Network Stack) 机制等, 同时Linux内核也作为硬件和软件栈之间的抽象层 (HAL) 。
2 Android开发基本组件
1) 活动 (Activity) 是Android中最基本的应用程序组件, 在应用程序中, 通常一个活动就是一个单独的屏幕。每一个活动都是从活动基类中继承而来, Activity类将会显示由几个Views控件组成的用户接口, 并对用户事件做出响应。
2) 服务 (Service) 是一段长生命周期的, 没有用户界面的程序, 在后台一直运行。
3) 内容提供者 (Content Provider) :内容提供者是用来管理和共享应用数据类库, 它可以实现多个程序之间的数据共享。
4) Intent (意图) :Intent在Android起着一个中介的作用, 专门用于提供应用组件相互调用时的相关信息, 可以实现调用者与被调用者之间的解耦合。
5) 广播接收器 (Broadcast receiver) :可以使用它对外部事件进行过滤, 使得应用程序只处理感兴趣的外部事件。
3 Android中多线程技术的使用
在android应用中, UI线程 (主线程) 超过5秒没响应的话就会抛出无响应异常 (ANR) 。在通过网络获取下载的大资源文件时, 如果处理不当, 是很容易出现异常问题的。Android开发框架中提供两种方法来处理这种问题:
1) 首先, 启动一个新的线程来获取下载资源文件, 资源获取结束后通过Handler机制发送消息 (Message) , 并同时在UI线程中处理消息, 从而达到在异步线程中处理事件 (event) 的效果, 然后通过Handler Message方法来更新UI线程; (实现过程见图2)
2) 使用Android中提供的Async Task方式来完成异步操作。Async Task是使用java.util.concurrent框架来管理线程以及任务的执行的, concurrent框架是一个非常成熟, 高效的框架, 经过了严格的测试。这说明Async Task的设计很好的解决了匿名线程存在的问题。
4 多线程技术具体实现
4.1 使用Handler实现多线程
我们都知道, 在Android中主线程是线程不安全的, 也就是说, 更新UI界面只能在应用程序的主线程 (UI) 中进行更新, 在子线程中进行UI更新操作是十分危险的 (及容易造成线程崩溃) 。android为了解决这样的问题, 让我们就使用Handler机制来进行处理。由于Handler运行在主线程中 (UI线程中) , 它与子线程可以通过Message对象来传递数据进行通信, 这个时候, Handler就承担着接受子线程传过来的 (子线程用sed Message () 方法) 传递Message对象, (里面包含数据) , 然后, 把这些消息放入主线程队列中, 进而配合主线程进行UI的更新操作。
实例代码如下:
Handler可以说是线程和Activity交互的桥梁, 我们只要在run方法中发送Message, 而在Handler里, 通过不同的Message执行不同的任务。从而可以很好地降低异步线程和主线程之间的耦合度。
4.2 使用Async Task类实现多线程
为了要使用AsyncTask, 首先需要定义下面的几个方法
1) onPreExecute ()
该方法将在执行后台操作前被UI线程调用。我们可以在该方法中做一些事先准备工作, 当然, 这个方法也可以不用实现。
2) doInBackground (Params...)
在on Pre Execute方法执行后马上执行, 该方法运行在后台线程中。将负责执行那些很耗时的后台处理工作。该方法是抽象方法, 根据java语言的规则, 该方法必须实现。
3) on Progress Update (Progress...)
在publish Progress方法被调用后, UI线程将调用这个方法从而在界面上展示任务的进展情况,
4) on Post Execute (Result)
在do In Background执行完成后, on Post Execute方法将被UI线程回调, 后台的计算结果将通过该方法传递到UI线程中, 并在界面上进行显示。
5) on Cancelled ()
应用程序取消线程操作的时候调用。
实例代码如下: (用于更新进度条)
实现效果见图3。
Async Task是Android为开发者提供的用于处理一些比较耗时的后台任务的基类, 通过使用Async Task可以优化应用程序, 可以给用户带来良好用户体验的。
5 结束语
本文对Android系统的整体架构进行了简单的介绍, 对Android中的开发组件进行了大致的分析, 提出了使用多线程技术来避免应用出现ANR (应用程序无响应) 的方法, 通过Handler和Async Task机制把耗时较多的任务放在子线程中执行, 来保持UI主线程的流畅顺滑, 从而获得良好的用户体验。我们很难想象没有使用的多线程技术的应用程序, 多线程技术的使用对于提高应用程序性能和用户体验是十分重要的。具有一定的研究价值。
摘要：在Android程序的开发过程中, 程序运行的流畅性是十分重要的。如果主线程处理的事件耗时过长将会出现ANR (应用程序无响应) , 导致程序崩溃。这就有必要将耗时较多的事件交给后台线程处理, 从而来提升用户体验, 改善应用程序性能。该文就Android中多线程技术的使用进行讲解。
关键词：Android,多线程,Handler,AsyncTask
参考文献
[1]Dave MacLean.精通Android3[M].杨越, 译.北京:人民邮电出版社, 2011:255-260, 324-328.
[2]余志龙, 陈小凤.AndroidSDK开发范例大[M].北京:清华大学出版社, 2010.