基于CELL Broadband Engine开发高性能应用

CELL BE处理器包括一个基于Powerpc架构的控制处理单元Power Processing Element (PPE)以及8个SIMD的协处理器单元——Synergistic Processing Elements (SPE)，以及用以连接PPE, 输入输出单元以及SPE的高速环形数据总线——Element Interconnect BUS (EIB)。CELL BE同时还提供了DMA指令和控制机制以用于在不同处理单元之间提供高效的通信。PPE和SPE均为RISC结构，指令字长为32位，寻址空间为64位。 SPE提供128位宽的SIMD的数据通路。工作在3.2GHz主频下，单个SPE对8位整型可提供51.2 Billion的峰值计算速度，对单浮点可提供25.6 GFlops的峰值计算速度。 　　
为了提高内存访问速度，CELL BE采用Rambus XDR DRAM内存，提供2个32位的数据访问通道，每个通道的访问速率为12.8GB/s。为了提高I/O访问速度，在CELL BE中采用了高速、可配置的I/O接口——7个发射通道和5个接收通道的Rambus PRAC FlexIO，FlexIO工作5GHz下时，其发送带宽和接收带宽分别为35GB/s和25GB/s。

PPE和SPE都是基于RISC架构，双发射的SIMD处理器。CELL BE中所有的处理单元，I/O控制器，内存控制器都通过高速的EIB（4路128位宽的环形总线）互联。XIO接口提供与Rambus XDR内存的高速互连，FlexIO提供了高速I/O通道。PPE是一个兼容PowerPC 970架构的两路并发多线程处理器，包含一个32kB的L1 Cache（32kB的数据cache和32kB的指令cache）, 256kB的L2 Cache以及一个VMX（VMX是PowerPC上的AltiVec多媒体扩展，Apple称为Velocity Engine。VMX本身就是一个向量处理单元，或者说是类似于Intel的SSE，SSE2的SIMD扩展。）单元。操作系统运行于PPE上，PPE负责对SPE进行调度，而SPE则负责主要的计算工作。SPE直接访问本地的Local Storage(LS)。它通过DMA方式访问主存，由DMA负责将指令和数据搬到LS。这种方式能够有效地减小内存读写延迟对处理器利用率的影响，因为 SPE的计算和DMA传输可以并行地进行。SPE是一个高度可配置的处理单元，SPE可以被配置成不同的运行方式和存储保护（Isolation）模式。在存储保护模式下，PPU和其它SPE不能访问该SPE的LS，从而在硬件层次上提供了安全机制。这种机制在一些场合是非常有用的，如DRM。

CELL BE编程模型

对SPE的编程，可以采用语言，如C和C++。并且CELL BE的编译器及开发包已经对C/C++进行了扩展，以提供对Vector/SIMD的支持。

实际上，对于应用程序的开发者来说，可以简单的将CELL BE看作一个9路的多处理器。由于PPE是一个双线程双发射、顺序执行的RISC处理单元，它的一个时钟周期可以处理来自两个线程的指令（即所谓硬件多线程SMT），因此加上8个SPE，同一时刻可以有10个任务在同时运行。总的来担琍PE适合作为控制和任务调度处理器，SPE则用于处理计算任务。

CELL BE 存在多种编程模型，对于简单的SPE程序（"small" SPE program）来说，与普通的应用程序编程是类似的。我们需要将任务进行划分，针对不同的SPE编写不同的代码，每个SPE完成一个特定的任务。这种方式下，SPE不需要访问主存，只需访问LS就够了。在这种方式下，SPE的数据段、代码段的大小限制为256kB (LS的大小)。

参考文献:

[1]. RISC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RISC_1189725.html.