本書主要講了片上多處理器（chipmultiprocessor），又稱多核微處理器或簡稱CMP，已成為構(gòu)造現(xiàn)代高性能微處理器的重要技術(shù)途徑。片上多處理器領域正在蓬勃發(fā)展，具有巨大的商業(yè)和科研價值。本書共11章：第1章介紹了當今多核片上系統(tǒng)所面臨的趨勢與挑戰(zhàn)；第2章講述了在嵌入式多處理器平臺上的驗證和組合的問題；第3章分析了在片上處理器系統(tǒng)中硬件支持下的有效資源利用和建議方法，這些方法用來解決合理利用并行資源的問題；第4章闡明了在多核上的映射應用；第5章講述了多核芯片消息傳遞的案例；第6章主要給讀者闡述了FPGA在RAMPSoC中的應用、優(yōu)點和前景，以及被稱為CAP-OS的特殊用途操作系統(tǒng)；第7章提出了一種新的綜合系統(tǒng)物理設計方法；第8章考察了低功耗系統(tǒng)級芯片的系統(tǒng)級設計；第9章深入探索了對于嵌入式應用空間多核系統(tǒng)所提供的機遇、多核系統(tǒng)設計相關的挑戰(zhàn)以及一些創(chuàng)新的方法來應對這些挑戰(zhàn)；第10章介紹了高性能多處理器片上系統(tǒng)作用、前景以及發(fā)展趨勢；結(jié)束全書的一章給讀者講述了一種被稱為侵入計算的新型并行計算系統(tǒng)。
適讀人群 ：從事電子信息、微電子設計、計算機硬件設計研究工作的相關人員、科研院所研究人員
本書主要講了片上多處理器（chip multiprocessor），又稱多核微處理器或簡稱CMP，已成為構(gòu)造現(xiàn)代高性能微處理器的重要技術(shù)途徑。片上多處理器領域正在蓬勃發(fā)展，具有巨大的商業(yè)和科研價值。
根據(jù)摩爾定律，可以預見在未來10年間半導體的集成密度會進一步提高，這預示著在一片小小的芯片上將會集成數(shù)以幾十億計的晶體管。然而越來越明顯的是，使用更為深入的傳送途徑和更具實力的超標寬流量技術(shù)來開發(fā)這樣規(guī)模的并行指令水平已經(jīng)到達極限了，同時，對于大存儲量的片上閃存來說，大部分晶體管預算也是這樣的情況。特別需要指出的是，由于散熱和高能耗問題，使用較高的時鐘頻率來改善系統(tǒng)的性能已經(jīng)變得舉步維艱。尤其是后者（指高能耗問題），不僅僅對于移動系統(tǒng)和設備來說成為了技術(shù)性的問題，而且由高能耗造成的在預算中的顯著成本因素很快就會成為計算中心的心腹之患。由此可見，在任何系統(tǒng)層面，提高系統(tǒng)性能只有開發(fā)并行計算這條路可走了。
因此，對于高性能計算系統(tǒng)、高端服務器以及嵌入式系統(tǒng)，多核架構(gòu)的大規(guī)模范式性的改變正在悄然形成。在單一芯片上集成多核可以使系統(tǒng)顯著地提高其性能，而無需提高時鐘頻率。對于同樣的性能來講，多核架構(gòu)比單核架構(gòu)有更好的“性瓦比”［性能和能耗之比，功率單位為“瓦特（簡稱瓦）”］。
在科學計算中，對于CPU（中央處理單元）時間消耗較大的場合，將多核技術(shù)和協(xié)處理器技術(shù)結(jié)合起來可以大大提升計算能力。同時，對于在嵌入式領域特殊目的的應用，這種技術(shù)也同樣有用武之地。特別是在硬件中，通過實施其計算密集核，基于加速器的FPGA（現(xiàn)場可編程序門陣列）不僅僅提供了給某個應用提速的機會，而且也適應了該應用的動態(tài)行為。
本書的目的是評價在MPSoC（多處理器片上系統(tǒng)）架構(gòu)中未來的系統(tǒng)設計策略，在硬件設計和工具集成（現(xiàn)存的開發(fā)工具）兩個方面展開討論。當然，在MPSoC與可重構(gòu)架構(gòu)相結(jié)合的新趨勢方面，本書也作為一個研究主題。本書主要的重點內(nèi)容是在系統(tǒng)架構(gòu)、設計流程、工具開發(fā)、應用以及系統(tǒng)設計方面。
作者衷心地感謝所有文獻作者及其合作者為本書最終付梓所作出的杰出貢獻。此外，還要感謝Springer集團的Amanda Davis夫人、Charles Glaser先生以及Jeya Ruby女士所給予的大力支持和耐心幫助。
Michael Hübner和Jürgen Becker 于德國巴登
譯者序
原書前言
第1章多核片上系統(tǒng)介紹——趨勢與挑戰(zhàn)1
1.1從片上系統(tǒng)到多處理器片上系統(tǒng)1
1.2多處理器片上系統(tǒng)的通用架構(gòu)2
1.2.1處理單元3
1.2.2互連3
1.2.3電源管理3
1.3電源效率與適應性4
1.4復雜性與可擴展性5
1.5異構(gòu)與同構(gòu)方法6
1.5.1異構(gòu)多處理器片上系統(tǒng)7
1.5.2同構(gòu)多處理器片上系統(tǒng)8
1.6多變量優(yōu)化10
1.6.1靜態(tài)優(yōu)化10
1.6.2動態(tài)優(yōu)化11
1.7靜態(tài)與動態(tài)中心化和分散方法的對比15
1.8小結(jié)16
縮略語17
參考文獻18
第1部分應用映射與通信基礎設施
第2章獨立開發(fā)、驗證與執(zhí)行的可組合性與可預測性23
2.1簡介23
2.2可組合性與可預測性25
2.2.1專用術(shù)語25
2.2.2可組合資源29
2.2.3可預測性資源32
2.2.4可組合與可預測資源33
2.3處理器芯片35
2.3.1可組合性35
2.3.2可預測性38
2.4互連38
2.4.1可組合性39
2.4.2可預測性40
2.5存儲芯片40
2.5.1可預測性41
2.5.2可組合性45
2.6實驗46
2.7小結(jié)48
參考文獻50
第3章在片上多處理器系統(tǒng)中硬件支持下的有效資源利用53
3.1簡介53
3.2學習網(wǎng)絡處理應用55
3.2.1商用網(wǎng)絡處理器56
3.2.2網(wǎng)絡應用實例57
3.2.3FlexPathNP方法58
3.2.4通過網(wǎng)絡處理可以在多核域中學到什么62
3.3學習高性能計算和科學計算63
3.3.1芯片上的分層多拓撲網(wǎng)絡64
3.3.2任務管理67
3.3.3同步子系統(tǒng)68
3.3.4從超級計算中可以在多核領域?qū)W到什么69
3.4自然界生物啟發(fā)、自組織系統(tǒng)的學習69
3.4.1自然界獨立生存體的集體行為和技術(shù)系統(tǒng)70
3.4.2自適應IP核的技術(shù)實現(xiàn)71
3.4.3多核領域從自然界能夠?qū)W到什么75
3.5小結(jié)75
參考文獻76
第4章在多核上的映射應用78
4.1PALLAS78
4.2驅(qū)動應用79
4.2.1基于內(nèi)容的圖像檢索80
4.2.2光流跟蹤81
4.2.3靜態(tài)視頻背景提取83
4.2.4自動語音識別83
4.2.5壓縮傳感MRI85
4.2.6市場價值的風險估計計算金融86
4.2.7游戲87
4.2.8機器翻譯88
4.2.9本節(jié)小結(jié)89
4.3并行性能的觀點89
4.3.1不被要求的線性縮放90
4.3.2衡量實際的實物硬件問題90
4.3.3考慮算法91
4.3.4歸納91
4.4模式的框架91
4.4.1應用程序框架92
4.4.2規(guī)劃框架93
4.5小結(jié)95
4.6附錄96
4.6.1結(jié)構(gòu)模式96
4.6.2計算模式96
4.6.3并行算法策略模式96
參考文獻97
第5章消息傳遞給多核芯片的例子99
5.1度量標準比較的并行編程模型99
5.2對比框架100
5.3對比消息傳遞和共享內(nèi)存101
5.3.1議程并行102
5.3.2結(jié)果并行102
5.3.3專家并行103
5.4框架結(jié)構(gòu)的影響103
5.5討論和小結(jié)104
參考文獻105
第2部分多處理器系統(tǒng)的可重構(gòu)硬件
第6章適應性多處理器片上系統(tǒng)構(gòu)建：自主系統(tǒng)設計和運行時間支持的
新角度109
6.1簡介109
6.2背景：硬件重新配置的介紹111
6.2.1時鐘重置基本概念111
6.2.2時鐘重置基本概念和配置間隔分類113
6.3有關工作115
6.4RAMPSoC方法116
6.5RAMPSoC的硬件架構(gòu)118
6.6RAMPSoC的設計方法120
6.7CAP-OS：用于RAMPSoC配置訪問端口操作系統(tǒng)123
6.8小結(jié)與展望126
參考文獻126
第3部分多處理器系統(tǒng)的物理設計
第7章設計工具和芯片物理設計模型131
7.1簡介131
7.2MOS復雜門的應用132
7.3減少線長133
7.4減少功率134
7.5布局策略134
7.6一個晶體管網(wǎng)絡的布局135
7.7使用ASTRAN幫助模擬單元的合成139
7.8小結(jié)140
參考文獻141
第8章電源感知多核SoC芯片和NoC設計142
8.1簡介142
8.2功率估算模型：從電子表格到功率狀態(tài)機145
8.2.1處理器的功耗模型147
8.2.2存儲功耗模型148
8.2.3片上互連的功耗模型148
8.2.4功率模型的嵌入式軟件150
8.2.5功率估算、分析和優(yōu)化工具151
8.2.6標準化和功率格式153
8.3電源管理154
8.3.1管理技術(shù)分類155
8.3.2功率的動態(tài)監(jiān)測和散熱管理156
8.4未來趨勢159
參考文獻160
第4部分多處理器系統(tǒng)的趨勢與挑戰(zhàn)
第9章嵌入式多核系統(tǒng)：設計挑戰(zhàn)與機遇167
9.1簡介167
9.2“真實世界”的要求168
9.2.1恒功率持續(xù)的高性能要求168
9.2.2高級系統(tǒng)集成的需求168
9.3產(chǎn)業(yè)增長的驅(qū)動力和可持續(xù)發(fā)展的大趨勢169
9.3.1互動世界170
9.3.2連通世界170
9.3.3安全世界170
9.4區(qū)分多核SoC特性172
9.4.1虛擬化172
9.4.2異構(gòu)多核系統(tǒng)173
9.5多核設計：關鍵因素174
9.6性能174
9.7系統(tǒng)帶寬175
9.8軟件復雜性176
9.9SoC集成176
9.9.1面積和功率177
9.9.2互連的關鍵作用178
9.9.3互連拓撲的選擇179
9.9.4軟件180
9.9.5異構(gòu)多核180
9.10多核設計：挑戰(zhàn)與機遇181
9.10.1匯合點性能目標181
9.10.2基于標準的編程模型183
9.10.3高級調(diào)試與優(yōu)化187
9.11小結(jié)187
參考文獻188
第10章高性能多處理器片上系統(tǒng)：面向大規(guī)模市場的芯片架構(gòu)189
10.1簡介189
10.1.1大規(guī)模市場與高性能189
10.2比例形式與用戶期望192
10.2.1比例的限制193
10.3CPU的趨勢194
10.3.1功率195
10.3.2暗硅195
10.3.3如何處理暗硅198
10.4小結(jié)203
參考文獻204
第11章侵入計算：概述205
11.1簡介205
11.1.1并行處理已經(jīng)成為主流206
11.1.2在未來2020年及以后的困難和不足208
11.1.3侵入計算的挑戰(zhàn)和原則209
11.1.4支持侵入計算的架構(gòu)挑戰(zhàn)209
11.1.5用于侵入計算支持
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