本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于共享存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)通信同步方法。

背景技術(shù)：

在共享存儲(chǔ)的多核處理器中，一般會(huì)引入cache結(jié)構(gòu)將共享存儲(chǔ)空間的數(shù)據(jù)緩存到本地，利用其本身的結(jié)構(gòu)特性來加速多核獲取數(shù)據(jù)的過程。由于每個(gè)處理器看到的存儲(chǔ)器視圖都是通過本地cache得到的，因此對(duì)于同一個(gè)存儲(chǔ)位置的數(shù)據(jù)來說，不同的處理器可能會(huì)獲取到不同的數(shù)據(jù)值。在多核處理器設(shè)計(jì)中，必須引入cache一致性維護(hù)機(jī)制，確保每個(gè)處理器核對(duì)存儲(chǔ)器中同一位置的讀取操作總能獲得最新寫入的值。隨著多核（多線程）之間數(shù)據(jù)交互模式的日趨復(fù)雜，能否提供高效的cache一致性維護(hù)機(jī)制，直接影響到多線程工作負(fù)載在多核上的運(yùn)行效率及正確性。

為了解決cache一致性問題，人們陸續(xù)提出了許多方案，其中公認(rèn)比較有效并為商業(yè)多處理器系統(tǒng)所采用的有基于總線監(jiān)聽的MESI（或MOESI）協(xié)議和基于目錄的協(xié)議等。

通過引入cache來提高處理器訪問數(shù)據(jù)的速度的代價(jià)對(duì)于對(duì)數(shù)據(jù)訪問速度要求不高的系統(tǒng)來說是比較高昂的，因?yàn)樾枰鉀Q維護(hù)cache一致性的問題。本發(fā)明需要解決的是在不引入cache的情況下，即處理器之間的數(shù)據(jù)通信僅通過共享存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)，如何來確保多核之間數(shù)據(jù)通信的同步問題?；诒景l(fā)明的多核SoC需要實(shí)現(xiàn)的是并行GPDT算法，每個(gè)處理器負(fù)責(zé)矩陣運(yùn)算的一部分，然后將各個(gè)處理器的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行拼接或累加來構(gòu)造完整結(jié)果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種在基于共享存儲(chǔ)器的多核片上系統(tǒng)中解決多核之間數(shù)據(jù)通信的同步問題的方法。

對(duì)于結(jié)果拼接的通信過程，根據(jù)每個(gè)處理器分配的工作量來將共享地址空間分割，使得每個(gè)處理器與分割后的地址空間片段一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)處理器只需將本核計(jì)算得到的數(shù)據(jù)塊寫入本核對(duì)應(yīng)的地址空間即可；對(duì)于結(jié)果累加的通信過程，則無需將地址空間分割，每個(gè)處理器都從同一個(gè)起始地址開始覆蓋寫入數(shù)據(jù)即可。在多個(gè)核對(duì)共享存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，為了避免數(shù)據(jù)發(fā)生沖突，包括避免每個(gè)處理器在其他核寫入數(shù)據(jù)之前讀取或者在其他核讀取過程中寫入，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種雙標(biāo)識(shí)位的數(shù)據(jù)同步方法，即每個(gè)處理器按照“檢測(cè)標(biāo)識(shí)-修改標(biāo)識(shí)-訪問存儲(chǔ)-還原標(biāo)識(shí)”的機(jī)制來工作。

為了對(duì)共享存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)讀寫操作進(jìn)行同步，本發(fā)明為每個(gè)處理器的每個(gè)共享數(shù)據(jù)塊設(shè)計(jì)一個(gè)2 bit的標(biāo)識(shí)位，用來表征該數(shù)據(jù)塊對(duì)于其他處理器來說是否可讀可寫的情況；例如，標(biāo)識(shí)位可設(shè)置如下：00，不可讀不可寫；01，不可讀可寫；10，可讀不可寫；11，可讀可寫。

設(shè)SoC系統(tǒng)共有N個(gè)處理器，則對(duì)于共享存儲(chǔ)器中的每個(gè)共享數(shù)據(jù)塊來說有2N bit的標(biāo)識(shí)位；當(dāng)某個(gè)處理器開始對(duì)共享存儲(chǔ)器中某個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行讀寫時(shí)，基于雙標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)同步方法為：

讀數(shù)據(jù)，具體步驟為：

（1）檢測(cè)標(biāo)識(shí)：讀取標(biāo)識(shí)并檢測(cè)，如果數(shù)據(jù)不可讀，等待；否則，進(jìn)入步驟（2）；

（2）修改標(biāo)識(shí)：將讀取標(biāo)識(shí)暫存，并修改本核對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)為不可寫；

（3）訪問存儲(chǔ)：將該數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)讀取到本地存儲(chǔ)器中；

（4）還原標(biāo)識(shí)：將標(biāo)識(shí)還原到檢測(cè)標(biāo)識(shí)之前的狀態(tài)。

寫數(shù)據(jù)，具體步驟為：

（1）檢測(cè)標(biāo)識(shí)：讀取標(biāo)識(shí)并檢測(cè)，如果數(shù)據(jù)不可寫，等待；否則，進(jìn)入步驟（2）；

（2）修改標(biāo)志：將讀取標(biāo)識(shí)暫存，并修改本核對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)為不可讀不可寫；

（3）訪問存儲(chǔ)：將本地?cái)?shù)據(jù)寫入該核對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊中；

（4）還原標(biāo)識(shí)：將本核對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)改為不可讀可寫。

冗余寫：

基于上述雙標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)同步規(guī)則來實(shí)現(xiàn)基于共享存儲(chǔ)器的多核系統(tǒng)之間的通信，仍然有比較小的概率發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，主要發(fā)生在標(biāo)識(shí)的讀寫過程，因?yàn)槊總€(gè)核對(duì)標(biāo)識(shí)的讀取和修改之間存在標(biāo)識(shí)的判斷邏輯，會(huì)間隔一段時(shí)間，如果某個(gè)核需要寫入共享存儲(chǔ)器，在讀取標(biāo)識(shí)之后進(jìn)行判斷，檢測(cè)到該數(shù)據(jù)塊可讀可寫，但還未修改標(biāo)識(shí)的時(shí)候，另外一個(gè)核需要讀取共享存儲(chǔ)器，對(duì)標(biāo)識(shí)進(jìn)行讀取則檢測(cè)到該數(shù)據(jù)塊可讀，那么會(huì)發(fā)生一個(gè)核寫數(shù)據(jù)同時(shí)另一個(gè)核讀數(shù)據(jù)的情況，很可能使得讀取到的數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤。為了避免這種數(shù)據(jù)沖突，本發(fā)明在每次讀取標(biāo)識(shí)之后添加一個(gè)冗余寫標(biāo)識(shí)的操作，將標(biāo)識(shí)全部設(shè)置為不可讀不可寫，例如將全部標(biāo)識(shí)置為00，即讀取標(biāo)識(shí)之后將標(biāo)識(shí)鎖住，等待標(biāo)識(shí)的判斷邏輯完成之后，再由本核對(duì)標(biāo)識(shí)進(jìn)行還原或者修改。這樣大大降低了發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的概率。

附圖說明

圖1：共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)（a）結(jié)果拼接（b）結(jié)果累加。

圖2：算法中各函數(shù)表示的意義。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明基于在多核SOC上實(shí)現(xiàn)并行GPDT算法。首先將每個(gè)需要共享的數(shù)據(jù)塊在共享存儲(chǔ)器中分配一塊地址空間，對(duì)于結(jié)果拼接的通信過程，根據(jù)每個(gè)處理器分配到的工作量來將共享地址空間分割，使得每個(gè)處理器與分割之后的地址空間片段一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)處理器只需將本核計(jì)算得到的數(shù)據(jù)塊寫入本核對(duì)應(yīng)的地址空間；對(duì)于結(jié)果累加的通信過程，則無需將地址空間分割，每個(gè)處理器從同一個(gè)起始地址開始覆蓋寫入，如圖1所示。

為每個(gè)處理器對(duì)應(yīng)的共享數(shù)據(jù)塊設(shè)計(jì)一個(gè)2bit的標(biāo)識(shí)位，用來表征該數(shù)據(jù)塊對(duì)于其他處理器來說是否可讀可寫的情況，標(biāo)識(shí)位設(shè)置如表1所示：00，不可讀不可寫；01，不可讀可寫；10，可讀不可寫；11，可讀可寫。

如果多核系統(tǒng)中有8個(gè)處理器，那么對(duì)于每個(gè)共享數(shù)據(jù)塊來說共需要16bit的標(biāo)識(shí)位來表征該數(shù)據(jù)塊對(duì)于每個(gè)處理器是否可讀可寫的情況，該標(biāo)識(shí)位也存儲(chǔ)在共享存儲(chǔ)器中。

當(dāng)某個(gè)處理器開始對(duì)共享存儲(chǔ)器中某個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行讀寫時(shí)，按照如下“檢測(cè)標(biāo)識(shí)-修改標(biāo)識(shí)-訪問存儲(chǔ)-還原標(biāo)識(shí)”的數(shù)據(jù)同步機(jī)制來進(jìn)行。

1、讀數(shù)據(jù)，具體步驟為：

（1）檢測(cè)標(biāo)識(shí)：讀取標(biāo)識(shí)并檢測(cè)，如果有任何一個(gè)核對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)位00/01，則表示該數(shù)據(jù)塊不可讀，等待；否則進(jìn)入步驟（2）；

（2）修改標(biāo)識(shí)：如果該數(shù)據(jù)塊可讀，則先將讀取的標(biāo)識(shí)暫存，再將本核對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)改為10，表示該數(shù)據(jù)塊正在被讀取；

（3）訪問存儲(chǔ)：將該數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)讀取到本地存儲(chǔ)器中；

（4）還原標(biāo)識(shí)：將標(biāo)識(shí)還原到檢測(cè)標(biāo)識(shí)之前的狀態(tài)。

2、寫數(shù)據(jù)，具體步驟為：

（1）檢測(cè)標(biāo)識(shí)：讀取標(biāo)識(shí)并檢測(cè)，如果有任何一個(gè)核對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)位為00/10，則表示該數(shù)據(jù)塊不可寫，等待；否則進(jìn)入步驟（2）；

（2）修改標(biāo)識(shí)：如果該數(shù)據(jù)塊可寫，則先將讀取的標(biāo)識(shí)暫存，再將本核對(duì)應(yīng)的的標(biāo)識(shí)修改為00，表示該數(shù)據(jù)正在被寫入；

（3）訪問存儲(chǔ)：將本地?cái)?shù)據(jù)寫入該核對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊中；

（4）還原標(biāo)識(shí)：將本核對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)改為01。

注意，寫入數(shù)據(jù)后并沒有將標(biāo)識(shí)還原為檢測(cè)標(biāo)識(shí)之前的狀態(tài)，而是置為01.考慮到通信同步，是由主核來負(fù)責(zé)檢測(cè)標(biāo)識(shí)，當(dāng)所有核的標(biāo)識(shí)位都為01時(shí)，才由主核將負(fù)責(zé)將所有標(biāo)識(shí)置為11。

另外，由于處理器核對(duì)標(biāo)識(shí)位的讀取和修改之間存在判斷邏輯，中間存在一段時(shí)間的間隔。如果某個(gè)核需要寫入共享存儲(chǔ)器，在讀取標(biāo)識(shí)之后，檢測(cè)到該數(shù)據(jù)塊可讀可寫，但還未修改標(biāo)識(shí)的時(shí)候，另一個(gè)核需要讀取共享存儲(chǔ)器，就會(huì)檢測(cè)該數(shù)據(jù)塊可讀，這時(shí)就會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)邊寫邊讀的情況，從而使另一個(gè)核讀取到的數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤，如圖2所示。圖2中各函數(shù)的意義如表2所示。為了避免這種情況發(fā)生，采取的措施是在每次讀取標(biāo)識(shí)位之后添加一個(gè)冗余寫標(biāo)識(shí)的操作，將全部標(biāo)識(shí)置為00，對(duì)所有處理器不可讀不可寫，等待標(biāo)識(shí)的判斷邏輯完成之后，再由本核對(duì)標(biāo)識(shí)進(jìn)行還原或者修改，大大降低了數(shù)據(jù)發(fā)生沖突的概率。

添加冗余寫操作之后的完整的數(shù)據(jù)同步機(jī)制如下：

1、讀數(shù)據(jù)，具體步驟為：

（1）檢測(cè)標(biāo)識(shí)：讀取標(biāo)識(shí)，將共享存儲(chǔ)器中所有標(biāo)識(shí)置為00，檢測(cè)讀取到的標(biāo)識(shí)，如果有任何一個(gè)核對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)位00/01，則表示該數(shù)據(jù)塊不可讀，還原標(biāo)識(shí)，等待；否則進(jìn)入2；

（2）修改標(biāo)識(shí)：如果該數(shù)據(jù)塊可讀，則先將讀取的標(biāo)識(shí)暫存，再將本核對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)改為10，表示該數(shù)據(jù)塊正在被讀?。?/p>

（3）訪問存儲(chǔ)：將該數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)讀取到本地存儲(chǔ)器中；

（4）還原標(biāo)識(shí)：將標(biāo)識(shí)還原到檢測(cè)標(biāo)識(shí)之前的狀態(tài)。

2、寫數(shù)據(jù)，具體步驟為：

（1）檢測(cè)標(biāo)識(shí)：讀取標(biāo)識(shí)，將共享存儲(chǔ)器中所有標(biāo)識(shí)置為00，檢測(cè)讀取到的標(biāo)識(shí)，如果有任何一個(gè)核對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)位為00/10，則表示該數(shù)據(jù)塊不可寫，還原標(biāo)識(shí)，等待；否則進(jìn)入2；

（2）修改標(biāo)識(shí)：如果該數(shù)據(jù)塊可寫，則先將讀取的標(biāo)識(shí)暫存，再將本核對(duì)應(yīng)的的標(biāo)識(shí)修改為00，表示該數(shù)據(jù)正在被寫入；

（3）訪問存儲(chǔ)：將本地?cái)?shù)據(jù)寫入該核對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊中；

（4）還原標(biāo)識(shí)：將本核對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)改為01；

（5）還原標(biāo)識(shí)（僅主核）：讀取并檢測(cè)所有核的標(biāo)識(shí)，當(dāng)所有核的標(biāo)識(shí)位都為01時(shí)，將所有標(biāo)識(shí)還原為11；否則，等待。

表1

表2

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