在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天,，對于計算機(jī)的使用可以說無處不在。特別是在軍工領(lǐng)域,，計算機(jī)充當(dāng)了軍事控制和數(shù)據(jù)處理的核心,，人們對計算機(jī)的性能要求也越來越高。一些特殊領(lǐng)域,，如雷達(dá),、導(dǎo)航等對計算機(jī)的處理速度、實(shí)時性的要求不斷提高,。人們采用了多種方法來解決這些不斷增長的技術(shù)指標(biāo)要求,，本文介紹的多處理器并行計算機(jī)的軟硬件設(shè)計，是采用多個CPU 進(jìn)行并行數(shù)據(jù)處理的方法來提高單板的運(yùn)算性能。

            2 多處理器并行計算機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計

            多處理器并行計算機(jī)系統(tǒng)是屬于并行結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)模型,，每一個處理器都需要具有自己局部存儲器,，以存儲自己的應(yīng)用程序并能夠獨(dú)立高速并行計算；同時,，該系統(tǒng)需要具有高速通信的互連網(wǎng)絡(luò),，可以把并行數(shù)據(jù)塊高速分布在各個處理器的局部存儲器中，以提高并行系統(tǒng)的效率,。該計算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計可以采用共享存儲器（雙端口RAM）互連的松耦合不對稱處理器配置,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中的各個處理器都具有自己的高速局部存儲器,，可高速獨(dú)立的并行進(jìn)行計算,，各個處理器之間由雙端口存儲器互連組成高速星型通信網(wǎng)絡(luò)，由于雙端口存儲器具有很高的通信速率,，靈活的通信協(xié)議建立方式,，因此雙端口存儲器互連的松耦合多CPU 并行計算機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
            ⑴ 通信帶寬寬。CPU 訪問雙端口存儲器可以采用字節(jié)/字/雙字長度進(jìn)行,，數(shù)據(jù)讀/寫速度高,。
            ⑵ 結(jié)構(gòu)簡單。處理器和雙端口存儲器直接相連,，不需要其它接口電路,，可實(shí)現(xiàn)可靠的雙向信息傳送。
            ⑶ 具有可剪裁性,。根據(jù)需要可增加或減少處理器數(shù)量,。
            ⑷ 擴(kuò)展性強(qiáng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可適合各種處理器,。

            圖1所示的多個處理器的計算機(jī)模型中,，CPU可以采用Intel x86 系列、PowerPC 系列,、ARM系列等處理器,。Boot Processor（即主處理器）負(fù)責(zé)對系統(tǒng)管理，通過它可以協(xié)調(diào)各個Application Processor（即從處理器）的工作,，同時Boot Processor 也對共享存儲器進(jìn)行初始化,。為了提高系統(tǒng)的上電效率，每個處理器都需要帶有自己的fash 電子盤來存儲程序,，每個處理器都可以外掛設(shè)備（比如網(wǎng)絡(luò),、鍵盤等）。

            圖1 共享存儲器互連的并行計算機(jī)

            3 多處理器并行計算機(jī)的軟件設(shè)計

            為提高處理器的執(zhí)行效率,，一般計算機(jī)系統(tǒng)都采用實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng),，本文以嵌入式VxWorks操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)論述多CPU 并行計算機(jī)的軟件設(shè)計方法,。

            3.1 共享存儲器網(wǎng)絡(luò)

            在VxWorks 操作系統(tǒng)中，多CPU 之間的通信使用共享存儲器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Shared-Memory 
BackplaneNetwork）,。該技術(shù)采用虛擬網(wǎng)絡(luò)來管理共享存儲設(shè)備,。共享存儲器網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動允許多個處理器之間的通信采用網(wǎng)絡(luò)形式，使用規(guī)范符合BSD4.4 兼容模式,。共享存儲器可以駐留在CPU 主板上也可以駐留在單獨(dú)的存儲器板上,。

            BP 代表Boot Processor（主處理器），AP 代表Application Processor（從處理器）,。主處理器設(shè)置有主機(jī)路由200.200.200.0,，從處理器可以通過主處理器與外網(wǎng)通信。主處理器必須有兩個網(wǎng)絡(luò)接口,，一個用于和外網(wǎng)通信（如和VxWorks 開發(fā)主機(jī)Vx-Host 通信）,，IP 地址設(shè)置為如圖2 中的90.0.0.10；另外一個是虛擬的共享存儲器網(wǎng)絡(luò),，用于和從處理器通信,。從處理器配置的網(wǎng)絡(luò)IP 地址分別是200.200.200.1、200.200.200.2和200.200.200.3,。當(dāng)調(diào)試程序時,，首先由主處理器初始化共享內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)（包括設(shè)置存儲器地址），從開發(fā)主機(jī)上下載自己的VxWorks image,；然后,，調(diào)度從處理器（AP）通過IP 地址90.0.0.10 從開發(fā)主機(jī)VxHost上下載從處理器所需要的VxWorks image，并且運(yùn)行該操作系統(tǒng),，從機(jī)的一切調(diào)試均通過主處理器進(jìn)行,。

            圖2 是多CPU 并行計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)配置

            共享存儲器網(wǎng)絡(luò)是VxWorks 的一個模塊，使用時必須在tornado的有關(guān)選項(xiàng)中選擇,。對于每一個處理器都有一個自己的boorom 或VxWoks image，分別獨(dú)自運(yùn)行自己的操作系統(tǒng),，彼此之間需要通信時通過共享存儲器進(jìn)行,。

            3.2 共享存儲器網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備

            多處理器系統(tǒng)中有一個處理器充當(dāng)主設(shè)備的角色。共享存儲器網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備（Shared-MemoryNetwork Master）在系統(tǒng)中所起到的功能解釋如下：
            ⑴ 初始化共享存儲器區(qū)域和共享內(nèi)存鉤子（anchor),；
            ⑵ 維護(hù)共享存儲器網(wǎng)絡(luò)心跳,；
            ⑶ 作為其它處理器和外網(wǎng)通信的網(wǎng)關(guān)；
            ⑷ 分配共享存儲區(qū)域,。

            在VxWorks 操作系統(tǒng)中要求共享存儲區(qū)域是一塊連續(xù)的存儲地址空間,，默認(rèn)為16MB，在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動中所定義,。主設(shè)備負(fù)責(zé)為其它處理器分配共享存儲區(qū)域,，并且進(jìn)行內(nèi)存映射,。共享存儲區(qū)的定位依靠系統(tǒng)配置。所有的處理器利用鉤子功能都必須能夠訪問該區(qū)域,。共享存儲鉤子是所有處理器的通信參考點(diǎn),。鉤子結(jié)構(gòu)和共享內(nèi)存區(qū)域可以被放置在雙端口RAM中。鉤子包含真正存儲區(qū)域的物理地址偏移量,，這在主設(shè)備在初始化過程中所設(shè)置,，鉤子和存儲區(qū)域必須在相同的地址空間，地址必須是線性和有效的,。

            當(dāng)共享存儲器網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備初始化后,，所有的處理器才可以使用共享存儲器網(wǎng)絡(luò)。但是,，主處理器并不能真正干涉其它處理器之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的交互,，各個處理器之間通信是通過本地的中斷或查詢方式進(jìn)行的。當(dāng)共享存儲器被初始化后,，所有的處理器,，包括主處理器，都同等的使用網(wǎng)絡(luò),。在Tornado2.0 環(huán)境下,，主處理器號規(guī)定為0，系統(tǒng)通過處理號來識別主處理器和從處理器,。典型的情況下,，主處理器有兩個Internet  地址，分別用于外網(wǎng)通信和內(nèi)部網(wǎng)關(guān),。

            3.3 共享存儲區(qū)的網(wǎng)絡(luò)心跳

            在多CPU系統(tǒng)中,，所有的處理器只有當(dāng)共享存儲區(qū)域初始化后才可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，所以各個處理器需要知道共享網(wǎng)絡(luò)是否處于激活狀態(tài)或是就緒狀態(tài),。在這里采用心跳檢測的方法使各個處理器得知網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài),。

            心跳（heartbeat）是一個計數(shù)器，它被主處理器每1 秒進(jìn)行計數(shù),，其他處理器靠監(jiān)視心跳值來確認(rèn)共享網(wǎng)絡(luò)是否處于正常,。其他處理器監(jiān)視心跳一般是每隔幾秒進(jìn)行一次（根據(jù)具體情況而定）。共享存儲器心跳偏移地址被放置在共享存儲器包頭的第5個4 個節(jié)的字中,。如圖3 所示,。

            圖3 心跳數(shù)據(jù)包

            3.4 處理器之間的通信

            處理器之間通信可以采用中斷方式也可以采用查詢方式。每一個處理器都有一個輸入隊列用來接收其它處理器發(fā)送來得的數(shù)據(jù)包,，當(dāng)采用查詢方式時,，處理器以固定時間間隔查詢隊列是否接收到數(shù)據(jù)。當(dāng)使用中斷方式時,，發(fā)送處理器通知接收處理器輸入隊列中有數(shù)據(jù),。中斷方式可以采用總線中斷或是郵箱中斷,，它比查詢方式更有效。

            多CPU的并行系統(tǒng)類似于一個嵌入式分布式系統(tǒng),，它們之間的通信可采用分布式消息隊列,、分式數(shù)據(jù)庫技術(shù)。分布式消息隊列和分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合,，給系統(tǒng)中的所有處理器提供了一個透明化的通信平臺,。處理器訪問分布式消息隊列，就好象是訪問自己的資源一樣,。分布式消息隊列技術(shù)可以簡化應(yīng)用程序的設(shè)計,，加快系統(tǒng)開發(fā)。

            3.5 多處理器之間的資源分配

            在具有多處理器的單板計算機(jī)系統(tǒng)中,，最重要的一點(diǎn)是要考慮任務(wù)的并行執(zhí)行效率,，多個處理器均需要訪問外圍設(shè)備和進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，這樣就存在外部設(shè)備的分配問題,。

            對設(shè)備資源的分配,，有兩種：一是定制（即靜態(tài)分配），即單板計算機(jī)在設(shè)計時就將資源分配好,，缺點(diǎn)是適應(yīng)性不強(qiáng),，資源不能根據(jù)用戶的需求而改動；二是動態(tài)分配,，在板上加載FPGA 邏輯,，預(yù)留軟件接口，用戶可根據(jù)任務(wù)的要求動態(tài)指定,。整個資源控制是透明的,，不需要知道是哪個CPU控制。在硬件設(shè)計時,，要考慮對CPU及外部設(shè)備訪問的仲裁,、優(yōu)先級設(shè)置等，防止由于訪問臨界資源而造成的沖突,。軟件則應(yīng)該指定是那一個CPU使用特定設(shè)備,，其余CPU 訪問時要互斥進(jìn)行。

            4 多處理器并行計算機(jī)的性能

            在該系統(tǒng)中采用CPU 類型為Intel Pentium3處理器,，主頻是700MHz。測試方法,，用相同功能的數(shù)據(jù)處理算法,，將之分解為模塊，分別運(yùn)行在系統(tǒng)的各個處理器中,。測試結(jié)果分析,，和單CPU相比,，采用兩塊CPU處理，運(yùn)算性能可提高60%~70%,；采用三塊CPU,，運(yùn)算性能至少達(dá)到2倍。我們知道,，影響這個測試結(jié)果的最大因素是測試方法,，將相同功能的算法分解到多個處理器，分解的方法直接決定綜合處理效率,。但可以肯定,，多個處理器并行處理設(shè)計，可大大提高系統(tǒng)的運(yùn)算效率,。

            5 結(jié)束語

            多CPU 的并行計算機(jī)技術(shù),，在很大程度上提高了系統(tǒng)計算速度，突破了單CPU 處理速度的極限,。同時采用多個CPU 的單板計算機(jī)設(shè)計,，可以減少計算機(jī)系統(tǒng)的體積、降低開發(fā)成本,、減少系統(tǒng)的開發(fā)周期,。本文中介紹的技術(shù)，在我所設(shè)計的計算機(jī)系統(tǒng)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并且得到軟硬驗(yàn)證,，所采用的CPU 類型包括DSP,、pentium3 等系列。