基于CELL Broadband Engine開發(fā)高性能應(yīng)用

ibm公司cell be處理器包括一個基于powerpc架構(gòu)的控制處理單元power processing element (ppe)以及8個simd的協(xié)處理器單元——synergistic processing elements (spe)，以及用以連接ppe, 輸入輸出單元以及spe的高速環(huán)形數(shù)據(jù)總線——element interconnect bus (eib)。cell be同時還提供了dma指令和控制機(jī)制以用于在不同處理單元之間提供高效的通信。ppe和spe均為risc結(jié)構(gòu)，指令字長為32位，尋址空間為64位。 spe提供最高128位寬的simd的數(shù)據(jù)通路。工作在3.2ghz主頻下，單個spe對8位整型可提供51.2 billion的峰值計(jì)算速度，對單精度浮點(diǎn)可提供25.6 gflops的峰值計(jì)算速度。 　　

為了提高內(nèi)存訪問速度，cell be采用rambus xdr dram內(nèi)存，提供2個32位的數(shù)據(jù)訪問通道，每個通道的訪問速率為12.8gb/s。為了提高i/o訪問速度，在cell be中采用了高速、可配置的i/o接口——7個發(fā)射通道和5個接收通道的rambus prac flexio，flexio工作5ghz下時，其發(fā)送帶寬和接收帶寬分別為35gb/s和25gb/s。ppe和spe都是基于risc架構(gòu)，雙發(fā)射的simd處理器。cell be中所有的處理單元，i/o控制器，內(nèi)存控制器都通過高速的eib（4路128位寬的環(huán)形總線）互聯(lián)。xio接口提供與rambus xdr內(nèi)存的高速互連，flexio提供了高速i/o通道。ppe是一個兼容powerpc 970架構(gòu)的兩路并發(fā)多線程處理器，包含一個32kb的l1 cache（32kb的數(shù)據(jù)cache和32kb的指令cache）, 256kb的l2 cache以及一個vmx（vmx是powerpc上的altivec多媒體擴(kuò)展，apple稱為velocity engine。vmx本身就是一個向量處理單元，或者說是類似于intel的sse，sse2的simd擴(kuò)展。）單元。操作系統(tǒng)運(yùn)行于ppe上，ppe負(fù)責(zé)對spe進(jìn)行調(diào)度，而spe則負(fù)責(zé)主要的計(jì)算工作。spe直接訪問本地的local storage(ls)。它通過dma方式訪問主存，由dma負(fù)責(zé)將指令和數(shù)據(jù)搬到ls。這種方式能夠有效地減小內(nèi)存讀寫延遲對處理器利用率的影響，因?yàn)?spe的計(jì)算和dma傳輸可以并行地進(jìn)行。spe是一個高度可配置的處理單元，spe可以被配置成不同的運(yùn)行方式和存儲保護(hù)（isolation）模式。在存儲保護(hù)模式下，ppu和其它spe不能訪問該spe的ls，從而在硬件層次上提供了安全機(jī)制。這種機(jī)制在一些場合是非常有用的，如drm。
cell be編程模型對spe的編程，可以采用高級語言，如c和c++。并且cell be的編譯器及開發(fā)包已經(jīng)對c/c++進(jìn)行了擴(kuò)展，以提供對vector/simd的支持。實(shí)際上，對于應(yīng)用程序的開發(fā)者來說，可以簡單的將cell be看作一個9路的多處理器。由于ppe是一個雙線程雙發(fā)射、順序執(zhí)行的risc處理單元，它的一個時鐘周期可以處理來自兩個線程的指令（即所謂硬件多線程smt），因此加上8個spe，同一時刻可以有10個任務(wù)在同時運(yùn)行。總的來擔(dān)琍pe適合作為控制和任務(wù)調(diào)度處理器，spe則用于處理計(jì)算任務(wù)。 cell be 存在多種編程模型，對于簡單的spe程序（"small" spe program）來說，與普通的應(yīng)用程序編程是類似的。我們需要將任務(wù)進(jìn)行劃分，針對不同的spe編寫不同的代碼，每個spe完成一個特定的任務(wù)。這種方式下，spe不需要訪問主存，只需訪問ls就夠了。在這種方式下，spe的數(shù)據(jù)段、代碼段的大小限制為256kb (ls的大小)。