甚塊原子性體系結(jié)構(gòu)仿真建模與甚塊預(yù)測器研究.pdf

1、近十年來,隨著半導(dǎo)體工藝和應(yīng)用需求的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)微處理器結(jié)構(gòu)面臨著巨大挑戰(zhàn)。甚塊原子性(Hyperblock-Atomic)體系結(jié)構(gòu)以甚塊而不是單條指令作為基本操作單元,在指令級并行的發(fā)掘和取指令帶寬等方面具備更大的優(yōu)化空間,是下一代微處理器重要的發(fā)展方向之一。本文以甚塊原子性體系結(jié)構(gòu)的典型代表EDGE(Explicit Data Graph Execution)體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),對其仿真模型、甚塊可預(yù)測性、甚塊預(yù)測器結(jié)構(gòu)等問題進(jìn)行了研

2、究。
　　當(dāng)前甚塊原子性體系結(jié)構(gòu)的研究剛剛起步,其研究工具還較為匱乏,特別缺少開源模擬器的支持和通用的高層次時(shí)序模型。因此,本文分析了現(xiàn)有甚塊原子性體系結(jié)構(gòu)的研究成果,提出了一種通用高層次四級時(shí)序模型。該模型將甚塊原子性體系結(jié)構(gòu)劃分為甚塊取入、甚塊映射、甚塊執(zhí)行和甚塊遞交四個(gè)階段。隨后,本文選用學(xué)術(shù)界常用的M5模擬器,以EDGE體系結(jié)構(gòu)為具體實(shí)現(xiàn)目標(biāo),在M5亂序處理器模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了該四級時(shí)序模型,完成了M5 EDGE模擬器的開

3、發(fā)。功能驗(yàn)證和性能評估的結(jié)果表明,與當(dāng)前已有的甚塊原子性體系結(jié)構(gòu)模擬器相比,M5 EDGE在仿真速度快1個(gè)數(shù)量級的同時(shí),仿真誤差小于12％。最后的研究實(shí)例顯示,具備四級時(shí)序模型的M5 EDGE模擬器能夠快速靈活地對甚塊原子性體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)空間探索,奠定了本文后續(xù)研究的基礎(chǔ)。
　　以M5 EDGE為研究工具,本文對甚塊原子性體系結(jié)構(gòu)中的甚塊可預(yù)測性進(jìn)行了研究。甚塊可預(yù)測性是實(shí)現(xiàn)甚塊層面控制流推測技術(shù)的基礎(chǔ),其研究成果可指導(dǎo)甚塊預(yù)測

4、器的設(shè)計(jì),是保證處理器總體性能的關(guān)鍵。首先,通過分析甚塊出口預(yù)測準(zhǔn)確率隨不同預(yù)測策略和歷史長度的變化,發(fā)現(xiàn)使用出口編號(hào)歷史和地址路徑歷史能夠在一定程度上降低甚塊出口的誤預(yù)測數(shù)。隨后,區(qū)別于現(xiàn)有文獻(xiàn)中基于出口編號(hào)的方法,本文提出了基于分支類型的甚塊可預(yù)測性研究方法,首次從分支類型的角度研究了甚塊可預(yù)測性。研究結(jié)果顯示,甚塊分支類型和分支目標(biāo)皆可在無出口編號(hào)信息的情況下,使用分支類型歷史或順序目標(biāo)歷史進(jìn)行預(yù)測。該結(jié)論為后續(xù)提出改進(jìn)的甚塊預(yù)測

5、器結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。
　　以甚塊出口可預(yù)測性的研究成果為指導(dǎo),本文對使用O-GEHL預(yù)測技術(shù)的甚塊預(yù)測器進(jìn)行了改進(jìn)。通過分析文獻(xiàn)中使用O-GEHL預(yù)測技術(shù)對甚塊出口進(jìn)行預(yù)測的特點(diǎn),本文發(fā)現(xiàn)O-GEHL預(yù)測技術(shù)中選擇器過多的誤預(yù)測是導(dǎo)致性能較差的主要因素之一。鑒于此,本文提出了無選擇器的O-GEHL甚塊出口預(yù)測器結(jié)構(gòu)。該方案通過記錄預(yù)測過程中成員預(yù)測器的正確預(yù)測次數(shù)作為決策依據(jù),與文獻(xiàn)中的預(yù)測器相比,能夠?qū)⒄`預(yù)測數(shù)平均降低0.7%。進(jìn)

6、一步的分析發(fā)現(xiàn),文獻(xiàn)中O-GEHL出口預(yù)測器為滿足多值預(yù)測要求而做的修改是導(dǎo)致性能下降的又一關(guān)鍵因素。針對該缺點(diǎn),本文提出了基于O-GEHL二值預(yù)測技術(shù)的策略。該策略對甚塊中每個(gè)出口單獨(dú)使用O-GEHL二值預(yù)測器,能夠?qū)⒄`預(yù)測數(shù)平均降低3%。對上述預(yù)測器的RTL實(shí)現(xiàn)分析表明,相對于文獻(xiàn)中的原始結(jié)構(gòu),本文所提出的方案并不會(huì)增加硬件實(shí)現(xiàn)代價(jià)。
　　基于對甚塊分支類型和分支目標(biāo)可預(yù)測性的研究成果,本文提出了基于分支類型的甚塊預(yù)測器。首先

7、,以分支類型歷史為基礎(chǔ)構(gòu)建了單級甚塊預(yù)測器。該預(yù)測器使用分支類型歷史表示的甚塊間歷史信息直接對甚塊分支類型進(jìn)行預(yù)測,避免了文獻(xiàn)中使用出口編號(hào)預(yù)測分支類型的副作用。在使用TAGE預(yù)測技術(shù)后,相對于文獻(xiàn)中的甚塊預(yù)測器,本文提出的方法能夠?qū)⒄`預(yù)測數(shù)平均降低10%。隨后,根據(jù)順序目標(biāo)在甚塊分支類型預(yù)測中占據(jù)關(guān)鍵地位的特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了兩級甚塊預(yù)測器。該預(yù)測器將順序目標(biāo)獨(dú)立出來,使用單獨(dú)的二值分支預(yù)測器進(jìn)行預(yù)測,更符合甚塊分支類型的特點(diǎn)。與單級結(jié)構(gòu)