CN101320289B - 提高多内核处理器性能的方法、系统和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于提高多内核处理器性能的系统、装置和方法，以使内核定量分配逻辑可启用多内核处理器的内核来遵守各种功率约束和热约束。

Description

提高多内核处理器性能的方法、系统和装置
本申请是2004年7月13日提交的题为“提高多内核处理器性能的方法、系统和装置”的专利申请200410070913.7的分案申请。
技术领域
本发明所公开的内容涉及功率管理领域。更具体地说，本发明的公开内容涉及一种尽管有功率约束也可提高多内核(multi-core)处理器性能的新方法和装置。
背景技术
对于多种类型的系统和集成设备例如服务器、膝上计算机、处理器和桌面计算机来说，功率管理方案可减少功耗从而实现低功率的应用。一般地，对系统和集成设备采用软件方法来支持多功率状态，从而至少部分地基于中央处理单元(CPU)的活动性来优化性能。
当前的功率管理方案或者降低电压或频率，或者同时降低二者，从而减少功耗。然而，这使得整体性能降低了。而且，一些方法包含了若干模拟设计，这些模拟设计具有和用于暂态工作负载、校准及调谐的循环稳定性相关的许多挑战。
随着多内核的处理器的引入，功率管理成为了一个很大的问题，因为多个内核以高频率和高电压运行，并且需要遵守多种功率约束，例如热极限、最大电流以及Vcc范围等。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种尽管有功率约束也可提高多内核(multi-core)处理器性能的新方法和装置。根据本发明的一个方面，所要求的主题物是一种用于在多个处理器内核当中禁止到其中至少一个处理器内核的时钟的方法，该方法包括：至少部分地基于工作负载，计算执行内核极限；执行n个可用线程，其中n是整数；启用m个处理器内核，其中m是整数，并小于或等于可用线程的数量n。
根据本发明的另一方面，还提供了一种用于为多个处理器内核中的至少一个处理器内核选择电压和频率工作点的方法，包括：预测在所有所述多个处理器内核上运行的多个线程的活动性级别；至少部分地基于所述活动性级别，启用所述多个处理器内核中的一个子集。
根据本发明的另一方面，本发明所要求的主题物中还包括一种用于多个多内核处理器的状态图，其包括用于未分配线程的内核的第一状态；第二状态，该状态让一个队列存储分配有线程的内核；用于启用所述内核以运行线程的第三状态；以及用于禁止内核的第四状态。
根据本发明的又一方面，本发明还提供了一种用于多个多内核处理器的状态图的方法，该方法包括：向未分配线程的内核分配第一状态；对于存储分配有线程的内核的队列，分配第二状态；比较已启用的内核数量和执行内核极限，如果所述已启用内核的数量小于所述执行内核极限，则分配第三状态以启用所述内核来运行一个线程；以及分配第四状态以禁止内核。
根据本发明的另外一方面，所要求的主题物中还包括一种多内核处理器系统，该系统包括至少一个多内核处理器，其耦合到缓存，并至少耦合到两条用于接收请求和响应的顺时钟方向的总线；和内核定量分配逻辑，用于管理已启用内核的数量以使其小于或等于执行内核极限。
附图说明
附图中示例性而非限制性地示出了本发明。
图1示出了根据实施例而利用的方法的流程图。
图2示出了根据实施例而利用的柱状图。
图3示出了根据实施例而利用的柱状图。
图4示出了根据一个实施例的装置。
具体实施方式
下面的描述提供了用于尽管存在功率约束也可提高多内核处理器性能的方法和装置。在下面的描述中，给出了大量具体细节以提供对本发明更透彻的理解。然而，本领域内的技术人员将会认识到没有这些具体细节也可实施本发明。利用所包含的描述，本领域内的技术人员不必进行太多试验就能够实现适当的逻辑电路。
如上所述，在遵守功率约束的同时提高处理器性能会存在一个问题。现有的方法包括以降低整体性能为代价来降低电压或频率。相反，所要求的主题物在遵守功率约束的同时提高了整体性能。例如，“为处理器系统定量分配执行内核的数量”这一原理使得在若干内核等待存储器事务完成时的空闲状态下禁止其时钟，因而提高频率。例如，所要求的主题物利用了通过禁止到某些处理器内核的时钟而形成的这些内核的空闲时间段，从而获得了较少的功耗。因此，由于降低了功耗，所以可以利用更高的频率。在一个实施例中，对于所述工作负载计算合适的执行内核极限。而且，在同一个实施例中，所述执行内核的数量小于或等于可用并就绪的线程的数量。线程是用于特定应用的一个独立指令集合。
在一个实施例中，所要求的主题物基于对运行在所有内核上的线程的活动性水平进行总体性的预测，从而帮助选择一个电压/频率工作点。例如，TPC-C线程往往在50-60％的时间中是活动的，它们40-50％的时间是空闲的，等待存储器引用的完成。在这种环境下，在一个实施例中，可以指定这样的执行内核极限，其等于管芯上内核总数的60％；在此情形下，如果有8个内核，则可以将执行内核极限设置为5。然后，可以指定一个电压-频率工作点，其对应于在一个时刻只有5个活动的内核，3个内核不活动(低功率状态)；这一工作频率与如果允许所有8个内核同时都活动时可以指定的频率相比要高得多。所述内核定量分配逻辑约束了管芯的工作，确保在任何给定的时刻都不会有超过5个(在此情形下)内核是活动的。收集关于等待和定量分配队列的占用情况的统计数据(下面将结合图1进一步讨论)；以一定的间隔对这些统计数据进行分析，以确定是否应改变工作点(执行内核极限及其关联电压/频率对)。如果等待队列总是为空而定量分配队列总是为满，这就指示了内核在可以推进时却没有推进，并且指示了应该提高执行内核极限并且降低电压/频率，以提高性能；相反，如果定量分配队列总是为空而等待队列总是为满，这就指示了可以通过降低执行内核极限并提高电压/频率点来提高性能。
图1示出了根据实施例而利用的方法的流程图。在一个实施例中，该流程图示出了用于状态图的方法。
在同一实施例中，所述状态图示出了用于系统中的处理器内核的预定状态机。在这一相同的实施例中，所述状态机辅助“内核的定量分配”，由于禁止了到等待存储器事务完成的内核的时钟，因而提高了处理器性能。
在一个实施例中，所述状态图具有4个已定义的状态，如“内核未分配”状态202、“执行”状态204、“定量分配FIFO队列”状态206以及“等待”状态208。一开始，如下定义“内核未分配”状态：每个内核都没有所分配的线程。随后，如果一个线程被分配到某个内核，则所要求的主题物转换到“定量分配FIFO队列”状态206。在一个实施例中，FIFO被定义为先进先出。
一转换到“定量分配FIFO队列”状态，则确定执行内核的数量和执行内核极限(ECL)之间的对比关系。在一个实施例中，处理器或系统规范确定了合适的执行内核极限以遵守热功率考虑因素。在一个实施例中，ECL由应用中下面将描述的公式来确定。当执行内核的数量小于ECL时，如果某个特定的内核是FIFO队列中将得到处理的下一个内核，则该内核转换到“执行”状态204。否则，该内核仍处于“定量分配FIFO队列”状态206。
一进入“执行”状态，所述内核就保持这一状态，除非发生某个事件，例如存储器引用和过热事件和/或公平性超时(fairness timeout)。例如，公平性超时可被利用来防止可能出现的现场锁定(live lock)状态。在此上下文中，存储器引用指的是对特定存储器地址的读或写操作，该存储器地址未驻留在耦合到处理器的任何缓存中(“所有缓存级中的缺失”)。因此，启动对主存储器的访问。
如果发生了上述事件，则内核转换到“等待”状态208。事件一完成，内核就转换到“定量分配FIFO队列”状态。在所述特定的线程完成之前，在状态204、206和208之间的这一循环序列会一直发生。线程一完成，内核就转换到“内核未分配”状态。
然而，所要求的主题物并不局限于所述状态图中的4个已定义的状态。所要求的主题物支持不同数量的状态。图1只是示出了这样的一个示例，其中将执行内核的数量限制为小于可用的线程的数量。例如，一个实施例可允许有多个等待状态。或者，所述等待状态可以被另一个队列状态取代。而且，根据触发从执行状态退出的事件的属性，状态图的其他实施例可对内核实现多种优先级，并且可具有不同的等待队列(存储器等待、热等待、ACPI等待等等)。
一般地，内核执行存储器读或写操作，随后执行取决于所述操作的操作(例如它利用了存储器读操作所返回的数据)。随后，内核“停滞”，等待该存储器操作完成。在此情形下，它发出一个信号，向中央内核定量分配逻辑表明它已停滞；这表明它可被内核定量分配逻辑禁止。内核定量分配逻辑通过让所讨论的内核进入“短睡”状态而对上述信号做出响应——它向所述内核发出“短睡”信号，使得该内核阻止指令发射，然后转换到(缓存一致的)低功率状态。而且，内核定量分配逻辑在等待队列中为该内核置入一个标识符。当存储器操作完成时，该内核解除所述“停滞”信号；内核定量分配逻辑通过将所述内核的标识符从等待队列移动到定量分配队列，从而对该信号做出响应。如果当前正在执行的(未“短睡”的)内核的数量小于或等于执行内核极限，则内核定量分配逻辑将最老的标识符从定量分配队列中去除，并解除到该内核的“短睡”信号。
图2示出了根据实施例而利用的柱状图。在一个实施例中，该柱状图示出了根据对多工作负载的蒙特卡洛仿真，对16内核多处理器而计算的花费在执行上的时间百分比。独立的横轴示出了2、4、6、8、10、12、14和16的ECL。而且，在利用1％、30％、40％和50％的(针对于执行时间的)存储器引用职责周期而仿真的不同工作负载处，对每个ECL都有一个图柱。
对50％的存储器引用职责周期进行分析，它显示出这一事实，即执行时间百分比在50％处饱和。因此，当ECL等于可用线程的数量时，对存储器引用的处理消耗了一半的执行时间。
图3示出了根据实施例而利用的柱状图。在图2之外，图3还示出了根据执行时间百分比和频率的乘积而计算的总体性能。所述总体性能还包含了频率与ECL成反比这一事实。如上所述，这一关系的存在是因为当减少执行内核的数量时，也使得功耗减少了。因此，可以提高频率以保持稳态热极限。
另外，图3示出了对于30％的存储器引用职责周期来说，最大执行时间百分比是70％。另外，饱和极限和线程数量的乘积标识出饱和的开始。需要注意饱和的开始，这是因为这可能是改进性能或最优性能的区域。
在一个实施例中，利用了一个自优化公式来确定合适的ECL。在该公式中，N表示具有上下文的线程的数量；％E表示执行时间百分比；而％M表示存储器引用时间百分比。该公式如下：
int(N×(％E/(％E+％M)))
图4示出了根据一个实施例的装置。在一个实施例中，该装置示出了具有多个处理器410的多内核处理器系统，所述处理器分别耦合到第三级(L3)缓存的独立存储体(bank)。在同一实施例中，4条总线形成2个相反的旋转“环”——顺时针方向的请求/响应(REQ0/RSP0)环(402和404)和逆时针方向的请求/响应环(REQ1/RSP1)(406和408)。“P”和“C”之间的圆圈表示用于每个环的一对状态设备。这样，利用一组循环流水线来将信息从每个处理器内核/缓存存储体传递到任意其他的处理器/缓存存储体。该系统接口逻辑包含用于存储器DIMM的存储器控制器、用于处理到其他处理器管芯或I/O子系统的互连链路的路由器逻辑、以及多种其他系统控制逻辑(包括中央内核定量分配控制器)。
尽管在附图中已描述并示出了特定的示例性实施例，但应当理解到，这些实施例只是对这一广泛发明的说明而非限制，本发明不应被局限于所示出和描述的具体构造和设置，因为对本领域内的技术人员来说在研究所公开的内容之后可作出多种其它的修改。

Claims (3)

1.一种用于为多个处理器内核中的至少一个处理器内核选择电压和频率工作点的方法，包括：
预测在所有所述多个处理器内核上运行的多个线程的活动性级别；
至少部分地基于所述活动性级别，启用所述多个处理器内核中的一个子集。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述活动性级别是执行内核极限，所述执行内核极限至少部分地基于对热功率考虑因素的遵守。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述执行内核极限至少部分地基于一个公式，其中N表示具有上下文的线程数量；%E表示执行时间百分比；而%M表示存储器引用时间百分比，该公式如下
int(N×(%E/(%E＋%M)))。
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