一種面向任務(wù)流的基于寄存器文件的快速數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種面向任務(wù)流的基于寄存器文件的快速數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中三大支柱是:處理部件，存儲(chǔ)部件和通信部件(包括I/o和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián))。從表面上看，計(jì)算、存儲(chǔ)、通信這三者是相互獨(dú)立的。但事實(shí)上，在一定條件下，計(jì)算、存儲(chǔ)、通信之間可以互相轉(zhuǎn)化。在許多高性能并行計(jì)算的應(yīng)用中，數(shù)據(jù)的通信能力往往是制約其性能提高的瓶頸，即系統(tǒng)最終的整體性能往往由系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換能力所決定。但當(dāng)前高性能計(jì)算系統(tǒng)對這個(gè)問題的解決思路非常單一，基本上都是通過各種方式優(yōu)化和改善計(jì)算節(jié)點(diǎn)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的性能來實(shí)現(xiàn)的。
[0002]MPP系統(tǒng)通過SMP、CC-NUMA、Cluster-NUMA多線程體系結(jié)構(gòu)及各種混合式結(jié)構(gòu)的使用解決整機(jī)互連問題，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)復(fù)雜度、網(wǎng)絡(luò)直徑和通信延遲隨整機(jī)規(guī)模擴(kuò)大迅速增大。而采用Cluster體系結(jié)構(gòu)集群系統(tǒng)，具有可自由伸縮、高度可管理、高可用、高性能價(jià)格比等諸多優(yōu)點(diǎn)；但其通信開銷和延遲大，隨著和計(jì)算結(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，對交換機(jī)的數(shù)量和性能要求越來越高。
[0003]對可擴(kuò)展、高帶寬、低延遲的高效能并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言，網(wǎng)絡(luò)直徑和延時(shí)隨著系統(tǒng)規(guī)模的增加而大幅增長所帶來的影響已經(jīng)非常突出，高效能計(jì)算系統(tǒng)中可重構(gòu)、可分區(qū)、可配置特性也變得越來越重要。如何突破互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)這種單一數(shù)據(jù)交換模式，獲得比MPP耦合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和Cluster松耦合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更高的效能是一個(gè)亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述現(xiàn)有的缺點(diǎn)，本發(fā)明的主要目的在于提供一種實(shí)用的面向任務(wù)流的基于寄存器文件的快速數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)，具有時(shí)延小、易于擴(kuò)展和便于支配管理的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)和通信的互相轉(zhuǎn)化，有效提高系統(tǒng)擴(kuò)展的性能價(jià)格比。
[0005]為達(dá)成以上所述的目的，本發(fā)明的一種面向任務(wù)流的基于寄存器文件的快速數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)采取如下技術(shù)方案:
一種面向任務(wù)流的基于寄存器文件的快速數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)，其特征在于，含有全局寄存器文件和η個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，η為自然數(shù)，每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)通過專用總線分別與全局寄存器文件連接，計(jì)算節(jié)點(diǎn)含有局部寄存器文件和不同層次的任務(wù)流處理部件，任務(wù)流處理部件之間以及任務(wù)流處理部件與局部寄存器文件之間通過交叉總線連接，局部寄存器文件通過寄存器文件邏輯端口接交叉總線，局部寄存器文件根據(jù)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的層次結(jié)構(gòu)，為計(jì)算節(jié)點(diǎn)中的各個(gè)任務(wù)流處理部件提供可訪問的寄存器文件邏輯端口，全局寄存器文件通過寄存器文件邏輯端口接專用總線，全局寄存器文件為不同的計(jì)算節(jié)點(diǎn)提供不同的寄存器文件邏輯端口，為同一計(jì)算節(jié)點(diǎn)中不同的任務(wù)流處理部件提供單一的物理端口，通過時(shí)間分片為不同的任務(wù)流處理部件提供可同時(shí)訪問的寄存器文件邏輯端口，全局寄存器文件為存儲(chǔ)各計(jì)算節(jié)點(diǎn)中間結(jié)果的寄存器文件組，局部寄存器文件為存儲(chǔ)計(jì)算節(jié)點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行任務(wù)處理時(shí)的所有操作數(shù)和中間結(jié)果的寄存器文件組，任務(wù)流處理部件含有FPGA陣列、CPU陣列、CPU陣列、共享存儲(chǔ)器加速裝置Shared memory accelerator、多核共享快速緩沖C存區(qū)Cacheshared mult1-core、主存儲(chǔ)器Main memory和存儲(chǔ)器Storage,所述寄存器文件組含有m個(gè)寄存器文件，每個(gè)寄存器文件含有寄存器文件控制器和k個(gè)存儲(chǔ)簇，存儲(chǔ)簇由寄存器構(gòu)成，m和k為自然數(shù)，寄存器文件控制器通過統(tǒng)一的交叉總線連接，存儲(chǔ)簇之間通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接，寄存器文件控制器和存儲(chǔ)簇之間采用集中式的串行鏈接方式，所述每一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)均可以對全局寄存器文件進(jìn)行共享訪問，以發(fā)掘各計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的任務(wù)流數(shù)據(jù)重用，全局寄存器文件的大小可以根據(jù)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的資源規(guī)模進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配和調(diào)整，當(dāng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)內(nèi)各任務(wù)流處理部件間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，局部寄存器文件為相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換提供支持。
[0006]計(jì)算節(jié)點(diǎn)與全局寄存器文件之間釆用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，根據(jù)各計(jì)算節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行任務(wù)所需數(shù)據(jù)量大小可將全局寄存器文件動(dòng)態(tài)劃分出相應(yīng)的寄存器空間，用于計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換，對寄存器文件控制器和存儲(chǔ)簇的訪問通過寄存器文件的物理地址進(jìn)行控制，在使用寄存器文件時(shí)，直接通過交叉總線按照寄存器文件的物理地址進(jìn)行訪問，寄存器文件控制器與存儲(chǔ)簇之間使用的接口即為存儲(chǔ)簇的物理地址，也就是寄存器文件的物理地址，對全局寄存器文件同一區(qū)域的讀取與寫入操作是不能同時(shí)進(jìn)行的，但是當(dāng)一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)完成寫入后，其它計(jì)算節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)讀取數(shù)據(jù)，共享寄存器文件中不同區(qū)域之間的讀/寫操作可以同時(shí)進(jìn)行，在多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)同時(shí)使用全局寄存器文件執(zhí)行任務(wù)流中的任務(wù)時(shí)，可以根據(jù)不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)所執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高低，優(yōu)先將全局寄存器文件空間分配給優(yōu)先級(jí)較高的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，若計(jì)算節(jié)點(diǎn)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)所需要交換的數(shù)據(jù)量變化較大，還可根據(jù)全局寄存器文件中剩余空間大小進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，根據(jù)優(yōu)先級(jí)高低盡可能的滿足所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量需求，各計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，首先將待交換數(shù)據(jù)存放至全局寄存器文件的指定區(qū)域，然后再由需要接收數(shù)據(jù)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)從全局寄存器文件中的指定區(qū)域中讀出，局部寄存器文件對任務(wù)操作的所有操作數(shù)和中間結(jié)果進(jìn)行暫存，各任務(wù)流處理部件通過各計(jì)算節(jié)點(diǎn)內(nèi)的交叉總線傳遞并緩存到局部寄存器文件中，計(jì)算節(jié)點(diǎn)在計(jì)算過程中，各任務(wù)流處理部件不需要去訪問外部存儲(chǔ)器或全局寄存器文件，只有在各計(jì)算節(jié)點(diǎn)間需要數(shù)據(jù)交互時(shí)，才將結(jié)果寫回全局寄存器文件或外部存儲(chǔ)器。
[0007]采用如上技術(shù)方案的本發(fā)明，具有如下有益效果:
本發(fā)明具有時(shí)延小、易于擴(kuò)展和便于支配管理的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)和通信的互相轉(zhuǎn)化，有效提高系統(tǒng)擴(kuò)展的性能價(jià)格比。
【附圖說明】
[0008]圖1為基于寄存器文件的快速數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0009]圖2為基于寄存器文件的快速數(shù)據(jù)交換的內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]為了進(jìn)一步說明本發(fā)明，下面結(jié)合附圖進(jìn)一步進(jìn)行說明:
參見圖1圖2，一種基于寄存器文件的快速數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)，含有全局寄存器文件和η個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，η為自然數(shù)，每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)通過專用總線分別與全局寄存器文件連接，每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的專用總線不存在交叉或共用，全局寄存的帶寬遠(yuǎn)高于存儲(chǔ)帶寬，因此全局寄存器增強(qiáng)了各計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)局部性，提供了快速數(shù)據(jù)交換能力。
[0011]計(jì)算節(jié)點(diǎn)含有局部寄存器文件和不同層次的任務(wù)流處理部件，任務(wù)流處理部件之間以及任務(wù)流處理部件與局部寄存器文件之間通過交叉總線連接。
[0012]總線按其功能可以分成專用總線和非專用總線，都屬于數(shù)據(jù)總線。專用總線是指只連接一對物理部件的總線，從物理位置上來說屬于外總線的一種，在此，專用總線是連接計(jì)算節(jié)點(diǎn)和全局寄存器文件，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?br>[0013]交叉總線從物理位置上來說屬于內(nèi)總線。計(jì)算節(jié)點(diǎn)內(nèi)的各任務(wù)流處理部件之間、任務(wù)流處理部件與局部寄存器文件之間均通過交叉總線進(jìn)行互聯(lián)。交叉總線為各個(gè)任務(wù)流處理部件之間的數(shù)據(jù)交互、任務(wù)流處理部件與局部寄存器文件之間的數(shù)據(jù)交互提供了傳輸通道。
[0014]局部寄存器文件通過寄存器文件邏輯端口接交叉總線，局部寄存器文件根據(jù)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的層次結(jié)構(gòu)，為計(jì)算節(jié)點(diǎn)中的各個(gè)任務(wù)流處理部件提供可訪問的寄存器文件邏輯端口 ；全局寄存器文件通過寄存器文件邏輯端口接專用總線，全局寄存器文件為不同的計(jì)算節(jié)點(diǎn)提供不同的寄存器文件邏輯端口，為同一計(jì)算節(jié)點(diǎn)中不同的任務(wù)流處理部件提供單一的物理端口，通過時(shí)間分片為不同的任務(wù)流處理部件提供可同時(shí)訪問的寄存器文件邏輯端□。
[0015]全局寄存器文件為存儲(chǔ)各計(jì)算節(jié)點(diǎn)中間結(jié)果的寄存器文件組，局部寄存器文件為存儲(chǔ)計(jì)算節(jié)點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行任務(wù)處理時(shí)的所有操作數(shù)和中間結(jié)果的寄存器文件組，任務(wù)流處理部件含有FPGA陣列、CPU陣列、GPU陣列、共享存儲(chǔ)器加速裝置Shared memory accelerator、多核共享快速緩沖C存區(qū)Cache shar