Система программирования для платформ Эльбрус и МЦСТ-R.

.
.
.


____Система программирования для платформ Эльбрус и МЦСТ-R предназначена для создания собственных программных продуктов для этих платформ на языках программирования С/С++ и Fortran. В состав системы программирования входят:

• оптимизирующий компилятор;
  
• отладчик;
  
• профилировщик;
  
• набор библиотек поддержки;
  
• оптимизированная математическая библиотека;
  
• библиотека MPI.
  

____В общем случае, компилятор – программа, преобразующая написанный на языке высокого уровня исходный текст в текст на низкоуровневом языке, близком к машинному коду. Оптимизирующий компилятор для языков С, С++, Fortran в составе программного обеспечения МЦСТ способен формировать двоичный код для целевых платформ, соответствующим всем  моделям микропроцессоров, разработанных в МЦСТ.  Имеются варианты компилятора для работы на целевой платформе и в режиме кросс-компиляции.
____Поясним термин «оптимизация». Критерием эффективности является время исполнения кода программы. Чем меньше время исполнения программы, тем более эффективным считается её код. В процессе работы компилятор может выполнять над алгоритмом программы различные преобразования, которые могут привести к формированию более эффективного кода. Эти преобразования называются оптимизирующими преобразованиями, или оптимизациями. Строго говоря, применение оптимизаций вовсе не гарантирует повышение эффективности. Всё зависит от исходного алгоритма. Тем не менее, правильный подбор оптимизирующих преобразований может серьёзно уменьшить время исполнения задачи.
____Компилятор в полной мере использует возможности распараллеливания, реализованные в аппаратуре каждой из двух архитектурных линий. Для архитектуры SPARC они в основном включают конвейерное параллельное исполнение операций, набор целочисленных и вещественных операций над короткими векторами, а также многоядерность и многопроцессорность на общей памяти с когерентным доступом, свойственные обеим архитектурам. В тоже время для архитектуры «Эльбрус», в которой аппаратная поддержка параллелизма развита гораздо сильнее, спектр вводимых компилятором оптимизаций и их эффект существенно выше.
____Процесс компиляции состоит из последовательных стадий (фаз компиляции), исполняемых в автоматическом режиме. Первой фазой работы компилятора является препроцессор. Препроцессор обеспечивает корректное подключение заголовочных файлов к исходной программе. На выходе препроцессора формируется преобразованный текст исходной программы, в котором раскрыты все макроопределения, удалены комментарии и фрагменты, на которые распространилось действие условной трансляции. На второй фазе компиляции (транслятор) происходит непосредственное преобразование алгоритма, написанного на языке высокого уровня, в алгоритм, выраженный в терминах команд микропроцессора. На фазе трансляции происходят все оптимизирующие преобразования. Кроме исходного текста, транслятор может использовать дополнительную информацию о программе (профиль исполнения и др.). На выходе транслятор формирует последовательность команд микропроцессора, представленных в виде двоичного кода. Результатом работы транслятора является файл объектного кода. Завершающая фаза – редактирование связей или линковка. Для этого компилятор вызывает штатно установленную в системе программу – редактор связей. Компилятор автоматически передаёт редактору связей соответствующие параметры, заданные в командной строке, а также те, что необходимо задать по умолчанию.
____Компилятор производит оптимизации не произвольным образом, а в составе некоторого согласованного пакета оптимизаций. Предусмотрено несколько таких пакетов или уровней оптимизаций. Каждому уровню оптимизации присвоен свой номер. Уровень с большим номером включает в себя уровень с меньшим номером. Базовый уровень имеет номер 0 и выполняется всегда. Код, полученный с использованием базового уровня оптимизаций, называется неоптимизированным.


В компиляторе реализованы дополнительные возможности по повышению производительности:

Использование профиля. Набор статистических данных программы (счётчики исполнения команд, счётчики итераций циклов и др.) представляет собой её профиль. На основании информации о профиле можно вычислить вероятности переходов, выделить критические участки работы программы и т.п. Компиляция с использованием профиля позволяет получить более эффективный код.

Автоматическое распараллеливание. Целью автоматизации распараллеливания является освобождение программиста от трудоёмкого и подверженного ошибкам процесса ручного распараллеливания. При автоматическом распараллеливании на этапе исполнения программы циклические участки программы, возможность распараллеливания которых была определена в результате фазы анализа оптимизирующего компилятора, распадаются на несколько  параллельных потоков, исполняемых на разных ядрах микропроцессора. Взаимодействие и синхронизация потоков происходит с помощью специальной библиотеки поддержки автоматического распараллеливания OpenMP.

OpenMP (Open Multi-Processing) – открытый стандарт для распараллеливания программ на языках С/С++. Описывает совокупность директив компилятора, библиотечных процедур и переменных окружения, которые предназначены для программирования многопоточных приложений на многопроцессорных системах с общей памятью. OpenMP реализует параллельные вычисления с помощью многопоточности, в которой «главный» (master) поток создаёт набор подчинённых (slave) потоков и задача распределяется между ними. Предполагается, что потоки выполняются параллельно на машине с несколькими процессорами (количество процессоров не обязательно должно быть больше или равно количеству потоков). Реализация OpenMP в оптимизирующем компиляторе базируется на интерфейсе OpenMP Version 3.0.

____Компилятор поддерживает ассемблерные вставки, т.е. строки кода на ассемблере, вставленные в программу на С/С++. Изначально формат вставка в стиле gnu подразумевает, что компилятор её внутренностей не видит. То есть вставка представляет собой "чёрный ящик", для которого описаны входящие и выходящие операнды и регистры, которые используются во вставке, но явно по операндам этого вычислить нельзя (а потому содержимое ассемблерной вставки не может быть оптимизировано компилятором). Компилятор lcc устроен так, что в большинстве случаев он «видит» содержимое вставки и может его оптимизировать.
____Наряду с ассемблерными вставками используются интринсики, т.е. мнемонические аналоги ассемблерных команд. Интринсики активно используются при написании оптимизированных фрагментов кода, в частности в библиотеке eml.
____В версии компилятора для процессора Эльбрус-2С+ реализована поддержка DSP-ядер. Для запуска программы на DSP-процессоре применяется следующая схема:

• на ядре с архитектурой «Эльбрус» исполняется управляющая программа;
  
• из управляющей программы запускаются дочерние процессы, исполняемые на DSP-процессоре.
  

____Компиляция кодов, предназначенных для исполнения на архитектуре «Эльбрус» и DSP-процессоре, делается с точностью до модуля. Это означает, что модули, которые компилируются для архитектуры «Эльбрус», и модули, которые компилируются для DSP-процессора, компилируются раздельно и с разным набором опций.


____Отладчик GDB – переносимый символьный отладчик проекта GNU, который работает на многих UNIX-подобных системах и умеет производить отладку (поиск ошибок) многих языков программирования, включая С, C++, Free Pascal, FreeBASIC, Ada и Fortran. Компанией МЦСТ разработан символьный отладчик на базе gdb-7.2.
____Отладчик запускается из командной строки. Может использоваться для полного управления выполнением любого пользовательского процесса и для исследования его работы.
____На команды отладчика реагируют все программы. Но только те из них, которые компилировались с опциями включения отладочной информации (опция –g при компиляции), могут предоставить необходимые данные с привязкой к тексту программы для дальнейшей трассировки процесса выполнения.
____Самый простой способ запуска интерактивного сеанса отладки – при запуске отладчика указать имя программы. Кроме того, отладчику можно указать подключиться к запущенной программе. Это позволяет проанализировать ход выполнения программы, которая начинает странно себя вести после некоторого момента времени работы. Третье назначение отладчика заключается в анализе аварийно завершившейся программы для определения причин аварийного завершения.


____Профилировщик Dprof предназначен для создания профиля программы и её оптимизации с учётом данных профиля. Профилировщик контролирует выполнение программы, создаёт профиль исполнения и ведёт учёт (мониторинг) разнообразных ситуаций, возникающих в ходе работы: блокировки конвейера, исполнение или отмена операций под предикатом и т. п. Профилировщик исполняется на вычислительном устройстве под управлением штатной ОС.


____Набор библиотек расширяет возможности быстрого и эффективного исполнения программ. В него входят библиотеки поддержки времени исполнения (glibc, libpthread, libm, libcxa) и различные популярные библиотеки (stlport, libstdc++, boost, поддержка графических форматов файлов и т.п.). Имеется библиотека поддержки стандарта MPI.


____Библиотека eml содержит порядка 1000 функций из области векторных и матричных вычислений, обработки сигналов и изображений, компьютерной графики. Библиотека написана с использованием ручных оптимизаций и позволяет наиболее полно использовать вычислительные ресурсы процессора.


____MPICH (Message Passing Interface Chameleon)– одна из самых первых разработанных библиотек стандарта MPI (Message Passing Interface – интерфейс передачи сообщений). MPI – программный интерфейс (API) для передачи информации, который позволяет обмениваться сообщениями между процессами, выполняющими одну задачу. MPI является наиболее распространённым стандартом интерфейса обмена данными в параллельном программировании, существуют его реализации для большого числа компьютерных платформ. MPI используется при разработке программного обеспечения (ПО) для кластеров и суперкомпьютеров. Основным средством коммуникации между процессами в MPI является передача сообщений друг другу.
____В настоящее время используется одна из ветвей MPICH – MPICH2 версии mpich2-1.1.1. MPICH2 – легко портируемая быстрая реализация стандарта MPI.
____Компанией МЦСТ произведена доработка библиотеки MPI, позволяющая осуществлять удалённый прямой доступ к памяти (RDMA) через Ehernet-каналы.
____Некоторые варианты ВК производства МЦСТ позволяют осуществлять межмашинные обмены данными через каналы ioLVDS. При объединении машин в кластеры через межмашинные каналы обмена ioLVDS используется драйвер виртуального Ethernet адаптера, который также поддерживает работу библиотеки MPI. Данная технология позволяет строить кластеры с возможностью межмашинных обменов на скорости порядка 10 Гбит/с и минимальными задержками.


источник