标签: 并行处理

首先感谢面包板社区人员的热心服务，很高兴自己再一次被面包板社区抽中了，能够有幸读松本行弘《编程语言设计与实现》，聆听 Ruby 之父畅谈设计新语言的动机，过程中的纠结与取舍以及 Ruby 开发中不为人知的故事，学习大师级程序员的思维方式。在此向为开发新语言的工作者表示衷心的感谢，感谢你们为编程语言的发展贡献自己的力量。 一． 创造一门什么样的语言 首先打开书，我们便能看到 Ruby 写的编程语言第一章创造一门什么样的语言，从编程语言的创造史开始讲起，世界上的所有编程语言都是由某个地方的某个人创造的，它们不是自然产生的，而是根据明确的意图和目的被设计并实现的。 Ruby 根据自己的经历和参考其他语言作者的意见，我认为有以下几点理由 提高编程能力，提高设计能力，打造个人品牌，活得自由。在这个开源的时代，技术人员要想生存下去，在技术社区的存在感是非常重要的。 成就一番伟大的事业首先需要的就是热情，不能保持热情是不行的。一旦有了创造编程语言的热情，就应该尽快开始，以后再根据需要慢慢地掌握所需要的基本知识以及工具的使用方法。 如上图所示，我们可以看到书的封皮和 Ruby 之父松本行弘，发现书包装的不错，而且里面的字迹也特别清晰，一打开就能够闻到书的味道。在扉页我们能够看到有这样一句话：站在巨人的肩膀上，我想学习 Ruby 语言的，都是站在松本行弘老师的肩膀上的。在此非常感谢老师。 第一章主要从语言的最基本讲起，首先是创造编程语言的意义和语言处理器的结构，虚拟机，编程语言设计的前篇和后篇这几部分组成。从本书中，我们可以看到一门编程语言的设计和实现的方法，以及 Ruby 语言在底层架构中如何的使用和应用。 二． 新语言 Streem 的设计与实现 首先，打开第二章，看到第二章的标题新语言 Streem 的设计与实现，介绍到多核时代，研究新时代的并行编程，设计支持并行编程的新语言，讲解了并行和并发编程。 Ruby 是开源的，在 Web 上免费提供，但需要一个许可证， Ruby 是一种类似于 Python 和 Perl 的服务器端脚本语言。 Ruby 语法简单，这使得新的开发人员能够快速轻松地学习 Ruby 。 Ruby 可扩展性强，用 Ruby 编写的大程序易于维护。 Ruby 有丰富的内置函数，可以直接在 Ruby 脚本中使用。 Ruby 是 " 程序员的最佳朋友 " 。 Ruby 可运行于多种平台，如 Windows 、 MAC OS 和 UNIX 的各种版本。 Ruby 是纯面向对象的语言， Ruby 中的一切都是以对象的形式出现。 在支持并发编程的结构中，最具代表性的是进程的线程。下面我们将介绍一下 Ruby 多线程的设计。每个正在系统上运行的程序都是一个进程。每个进程包含一到多个线程。线程是程序中一个单一的顺序控制流程，在单个程序中同时运行多个线程完成不同的工作 , 称为多线程。 Ruby 中我们可以通过 Thread 类来创建多线程， Ruby 的线程是一个轻量级的，可以以高效的方式来实现并行的代码。 2.1 创建 Ruby 线程 要启动一个新的线程，只需要调用 Thread.new 即可 : # 线程 #1 代码部分 Thread.new { # 线程 #2 执行代码 } # 线程 #1 执行代码 以下实例展示了如何在 Ruby 程序中使用多线程： #!/usr/bin/ruby def func1 i=0 while i<=2 puts "func1 at: #{Time.now}" sleep(2) i=i+1 end end def func2 j=0 while j<=2 puts "func2 at: #{Time.now}" sleep(1) j=j+1 end end puts "Started At #{Time.now}" t1=Thread.new{func1()} t2=Thread.new{func2()} t1.join t2.join puts "End at #{Time.now}" 以上代码执行结果为： Started At Wed May 14 08:21:54 -0700 20 19 func1 at: Wed May 14 08:21:54 -0700 20 19 func2 at: Wed May 14 08:21:54 -0700 20 19 func2 at: Wed May 14 08:21:55 -0700 20 19 func1 at: Wed May 14 08:21:56 -0700 2019 func2 at: Wed May 14 08:21:56 -0700 2019 func1 at: Wed May 14 08:21:58 -0700 2019 End at Wed May 14 08:22:00 -0700 2019 2.2 线程生命周期 1 、线程的创建可以使用 Thread.new, 同样可以以同样的语法使用 Thread.start 或者 Thread.fork 这三个方法来创建线程。 2 、创建线程后无需启动，线程会自动执行。 3 、 Thread 类定义了一些方法来操控线程。线程执行 Thread.new 中的代码块。 4 、线程代码块中最后一个语句是线程的值，可以通过线程的方法来调用，如果线程执行完毕，则返回线程值，否则不返回值直到线程执行完毕。 5 、 Thread.current 方法返回表示当前线程的对象。 Thread.main 方法返回主线程。 6 、通过 Thread.Join 方法来执行线程，这个方法会挂起主线程，直到当前线程执行完毕。 三． Ruby 类和对象 Ruby 是一种完美的面向对象编程语言。面向对象编程语言的特性包括： 数据封装、数据抽象、多态性、继承。这些特性将在面向对象的 Ruby 中进行讨论。一个面向对象的程序，涉及到的类和对象。类是个别对象创建的蓝图。在面向对象的术语中，您的自行车是自行车类的一个实例。 以车辆为例，它包括车轮（ wheels ）、马力（ horsepower ）、燃油或燃气罐容量（ fuel or gas tank capacity ）。这些属性形成了车辆（ Vehicle ）类的数据成员。借助这些属性您能把一个车辆从其他车辆中区分出来。 车辆也能包含特定的函数，比如暂停（ halting ）、驾驶（ driving ）、超速（ speeding ）。这些函数形成了车辆（ Vehicle ）类的数据成员。因此，您可以定义类为属性和函数的组合。 类 Vehicle 的定义如下： Class Vehicle { Number no_of_wheels Number horsepower Characters type_of_tank Number Capacity Function speeding { } Function driving { } Function halting { } } 通过给这些数据成员分配不同的值，您可以创建类 Vehicle 的不同实例。例如，一架飞机有三个轮子，马力 1,000 ，燃油罐容量为 100 升。以同样的方式，一辆汽车有四个轮子，马力 200 ，煤气罐容量为 25 升。 一． Ruby 文件的输入与输出 Ruby 提供了一整套 I/O 相关的方法，在内核（ Kernel ）模块中实现。所有的 I/O 方法派生自 IO 类。类 IO 提供了所有基础的方法，比如 read 、 write 、 gets 、 puts 、 readline 、 getc 和 printf 。 4.1 puts 语句 在前面的章节中，您赋值给变量，然后使用 puts 语句打印输出。 puts 语句指示程序显示存储在变量中的值。这将在每行末尾添加一个新行。 4.2 gets 语句 gets 语句可用于获取来自名为 STDIN 的标准屏幕的用户输入。 4.3 putc 语句 与 puts 语句不同， puts 语句输出整个字符串到屏幕上，而 putc 语句可用于依次输出一个字符。 4.4 print 语句 print 语句与 puts 语句类似。唯一的不同在于 puts 语句在输出内容后会跳到下一行，而使用 print 语句时，光标定位在同一行。 4.5 打开和关闭文件 截至现在，您已经读取并写入标准输入和输出。现在，我们将看看如何操作实际的数据文件。 File.new 方法 您可以使用 File.new 方法创建一个 File 对象用于读取、写入或者读写，读写权限取决于 mode 参数。最后，您可以使用 File.close 方法来关闭该文件。 语法 aFile = File.new("filename", "mode") # ... 处理文件 aFile.close File.open 方法 您可以使用 File.open 方法创建一个新的 file 对象，并把该 file 对象赋值给文件。但是， File.open 和 File.new 方法之间有一点不同。不同点是 File.open 方法可与块关联，而 File.new 方法不能。 File.open("filename", "mode") do |aFile| # ... process the file End 下表列出了打开文件的不同模式： 模式 描述 r 只读模式。文件指针被放置在文件的开头。这是默认模式。 r+ 读写模式。文件指针被放置在文件的开头。 w 只写模式。如果文件存在，则重写文件。如果文件不存在，则创建一个新文件用于写入。 w+ 读写模式。如果文件存在，则重写已存在的文件。如果文件不存在，则创建一个新文件用于读写。 a 只写模式。如果文件存在，则文件指针被放置在文件的末尾。也就是说，文件是追加模式。如果文件不存在，则创建一个新文件用于写入。 a+ 读写模式。如果文件存在，则文件指针被放置在文件的末尾。也就是说，文件是追加模式。如果文件不存在，则创建一个新文件用于读写。 五 . 总结 通过上面的介绍，相信每个人都对 Ruby 语言有了更深的了解。学习了松本行弘编书的设计新语言的设计流程和思路。感谢面包板社区，是我更近一步了解到 Ruby 语言的的思想和流程。

在通信、雷达等系统中，特别是在3G无线基站等系统中，随着输入语音 数字和分组数据量急剧增加，系统的处理能力也需要急剧增加，这需要一种功能强大的大型并行阵列信号处理系统。系统往往需要进行非常复杂的数据处理，虽然 DSP技术得到了飞速的发展，出现了高速DSP芯片，但是使用单个DSP芯片还是不能适用系统的需求，迫切需要把多个DSP组成互联系统，以增强整体数据 处理能力。本文主要研究TI公司的TMS320C6x系列DSP的主机接口（HPI）、多通道缓冲串口（McBSP）以及AD公司的ADSP2106x系 列DSP的链路口（Link），介绍了利用其组成DSP并行系统时各种互连方法和优缺点。 　　1 TMS320C6x简介 　　 　 　　TMS320C6x内部主要包括1个中央处理器单元（CPU），1个程序内存和一个数据内存，DMA，1个外部存贮器接口（EMIF），1个主机接口 （HPI），2个多通道缓冲串口（McBSP），TMS320C6x的CPU 内部有8个处理单元，每个时钟最多可处理8条指令。TMS320C6x的接口灵活，处理能力强，运算速率高，因此在民用和军用领域都将有广阔的应用前景， 在军事通信、电子对抗、雷达系统、精确制导武器等需要高度智能化的应用领域，这种芯片的高速处理能力具有不可替代的优势。 　　2 利用TMS320C6x的HPI组成多DSP互联并行系统 　　 　 　　主机口HPI是一个16／32 b宽度的对外接口，外部主机（也叫做上位机）掌管该接口的主控权，外部主机可通过HPI直接访问DSP的存贮空间。另外，主机还可以直接访问 TMS320C6x片内的存贮映射的外围设备。复位时向DSP加载程序，对DSP进行控制。外部主机是HPI的主管方，DSP是HPI的从方。主机可以通 过HPI访问DSP，但DSP不能通过HPI向外部进行访问。在这类系统中，通常包括一个主处理器和很多从处理器，主处理器一般是通信控制器，例如 MPC8260，MC68360等，当然TMS320C6x也可以作为主处理器，用来进行对系统的输入输出数据及整个系统进行进行管理。从处理器一般是多 个DSP（如TMS320C6x），用来进行算法处理。主处理器通过HPI向DSP加载程序，对DSP进行控制，可以通过HPI向DSP写入待处理的数据 或通过HPI读取DSP处理完的数据，DSP之间的数据可以通过HPI由主处理器进行中转。如图1所示，主处理器可以直接连接多个逻辑。此方法结构简单， 但主处理器负担较重，和多个DSP通信效率较低，且主处理和DSP阵列需要在同一块单板上。 　　另一种方法如图2所示，主处理器PCI总线连接到PCI／HPI接口转换控制芯片上，接口 转换芯片控制多个DSP并完成主处理器和DSP之间、DSP相互之间的数据交换。此时主处理器和DSP阵列可以不在同一块单板上。在该系统中（若主处理为 MPC8260，需增加8260到PCI总线的桥片），HPI／PCI接口转换控制芯片是整个系统设计的关键，可选TI公司的PCI2040，PLX公司 的PCI9054，Tundra公司的Tsi920。 　　 　　主处理器也可以通过TMS320C6x来充当，利用DSP的HPI接口组成一个多DSP互 连并行系统，一般是一个主处理器和一个从处理器，此种方法的一个应用实例是在雷达中的应用。滑窗算法是数字信号处理中一种常用的基本算法，但滑窗算法一般 是遍历性的算法，其运算量大，在实时处理中受到限制。利用2片TI公司的高速DSP芯片TMS320C6201，应用其HPI接口并行实现多种滑窗算法， 满足了某雷达系统解模糊的实时需要。系统由2片TMS320C6201完成所有的数字信号处理算法，主要是多重滑窗算法。根据实际系统的需要，将多重滑窗 算法处理分布在2片TMS320C6201上，利用其HPI接口完成多处理机之间的快速数据交换，构成多机并行处理系统，完成多重滑窗算法的多机并行处 理。整个系统的基本框图如图3所示。 　　 　　3 利用TMS320C6x的McBSP组成的多DSP并行互连系统 　　McBSP称为多通道缓冲串口，他有一个发送端口和一个接收端口，多个DSP可以通过McBSP连接到一个串行时际交换芯片，采用时际交换的方式进行数 据交换。数据收发以帧为单位进行。每个发送帧分成n个发送时隙，不同的发送时隙对应不同的接收DSP，例如：DSP0的发送端口在时隙1给DSP1发送数 据，在时隙2给DSP2发送数据，在时隙n给DSPn发送数据；每个接收帧分成n个接收时隙，不同的接收时隙对应不同的发送DSP。例如：DSP1的接收 端口在时隙0接收来自DSP0的数据，在时隙2接收来自DSP2的数据，在时隙n接收来自DSPn的数据。这种方法的优点是接口简单，可以实现多个 DSP的全互连来进行并行处理。缺点是数据以串行方式传输，速率较低。 　　4 利用ADSP2106x的Link口组成多DSP互连并行系统 　　首先对ADSP2106x做一简单介绍。ADSP2106x是一种高性能的32 b数字信号处理器，采用超级哈佛结构。内有3条片内总线，他们是PM总线（程序存贮器）、DM总线（数据存贮器）和I／O总线。PM总线既可用来访问指 令，也可以用来访问数据。在一个单周期内，处理器可以访问2个数据，一个通过DM总线，另一个通过PM总线，而指令要到指令缓冲中去取。他的外部口提供与 外部存贮器、存贮器映像I／O、主机处理器、多处理机系统中的其他ADSP2106x连接的接口。外部口完成内部和外部的总线仲裁，并且向共享的全局存贮 器和I／O设备提供控制信号。最显著的特点是提供了6个链路口，为多DSP并行处理提供了很大的方便。 　　ADSP2106x提供了6个链路口， 每个链路口包括4位数据线、1个双向时钟信号、1个双向确认信号、链路握手信号，每个链路口可以按2倍时钟频率的速率进行数据传输。可以独立工作或同时工 作，链路数据可以打包成32 b或48 b数据，可以被处理器核访问，可以与片内存贮器进行DMA传送，外部主机可以直接访问链路口。具有双缓冲的发送和接收寄存器。可通过时钟／确认信号在链路 口通信时握手，每个链路口均可收／发数据，并分别有一个DMA通道支持。由于有6个链路口，所以若数据总线采用紧耦合的方式，则一组多DSP最多可以有6 个DSP。 　　ADSP2106x的Link口的并行处理功能在实际中已得到广泛的应用。在雷达、通信等中都有成功应用的实例，利用Link口为 了完成大量的的复杂数据运算且实时性要求高的系统，方法如图4所示。数据通过缓冲区送过来，然后在CPLD的控制下通过发送中断选择第几个DSP芯片，按 照CPLD的控制依次将数据通过主总线送给各个DSP进行FFT和恒虚警处理，然后由后端的DSP通过软件控制从Link口依次将各个DSP处理的结果送 到后端的DSP进行处理，缓冲器通过数据总线将数据送给各个DSP，由于CPLD的控制，所以数据总线不会发生冲突。且紧耦合在一块的各个51DSP通过 Link口互相传送数据，各个DSP也通过Link口将处理结果送给后端DSP。这种方法在雷达中已得到成功的应用。当然ADSP2106x利用Link 口进行并行处理的方法在通信中也得到广泛的应用，例如在扩频通信中利用2片ADSP2106x也得到成功应用。利用Link口组成多DSP互连系统方法灵 活，除上面所述外，还可根据实际情况进行处理。 　　 　　5 结　语 　　不同的应用需要的处理能力不同，对各个DSP之间，DSP与主处理器之间的数据流量和时延要求也不同，故需要的DSP数目、互连方式也不同。利用 DSP不同接口的互连方式，HPI有利于外部主处理器对各个DSP进行控制，适合于主从处理器和多个DSP构成主从方式的互连系统。McBSP接口简单， 适用于对传输速率要求不高的低速全互连并行系统。对于ADSP2106x，由于其Link口的特点，特别适合与构成多种不同的并行多处理系统，在高速实时 处理系统中得到了广泛的应用。