類(lèi)數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的分片式處理器上的編譯及優(yōu)化技術(shù).pdf

1、分片式處理器體系結(jié)構(gòu)能夠很好地應(yīng)對(duì)納米工藝代的功耗、線延遲、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證復(fù)雜度等一系列問(wèn)題，是一種具有良好性能擴(kuò)展?jié)摿Φ钠隙嗵幚砥鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。如何在分片式處理器體系結(jié)構(gòu)上支持通用目的程序設(shè)計(jì)是決定這種結(jié)構(gòu)成敗的關(guān)鍵。要解決這個(gè)問(wèn)題，只有通過(guò)軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)才能找到突破口。分片式處理器結(jié)構(gòu)上軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題就是要設(shè)計(jì)能高度暴露程序并行性、降低能耗的指令集體系結(jié)構(gòu)；其次是為這種體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效的編譯系統(tǒng)。本文圍繞一種分片

2、式處理器TPA-PI，研究一種類(lèi)數(shù)據(jù)流指令集體系結(jié)構(gòu)及其編譯和優(yōu)化技術(shù)，包括如何通過(guò)軟硬件系統(tǒng)協(xié)同工作，管理片上大量計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源；如何利用并行編譯器挖掘和表示程序中的并行性；以及如何開(kāi)發(fā)適合新結(jié)構(gòu)新應(yīng)用的編譯優(yōu)化技術(shù)，進(jìn)一步提高處理器性能等。主要研究?jī)?nèi)容和成果包括：
　　 (1)為分片式處理器TPA-PI設(shè)計(jì)了指令集系統(tǒng)DISC-I。DISC-I是一種類(lèi)數(shù)據(jù)流指令集體系結(jié)構(gòu)，具有塊原子執(zhí)行、指令間直接通信的特點(diǎn)，并具有高

3、效支持指令級(jí)并行性、降低單條指令的執(zhí)行開(kāi)銷(xiāo)、簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，以及支持多粒度、多層次開(kāi)發(fā)程序并行性等眾多優(yōu)勢(shì)。
　　 (2)基于LLVM編譯框架，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了TPA-PI并行編譯器。該編譯器將程序劃分為多個(gè)超塊，為每個(gè)超塊分配硬件資源，并將每個(gè)超塊內(nèi)的指令映射到硬件襯底上。TPA-PI編譯器最重要的特點(diǎn)是稱(chēng)為T(mén)PA-C的中間表示，將程序表示成以超塊為單位的控制流圖和超塊內(nèi)部以指令為單位的局部數(shù)據(jù)流圖兩層結(jié)構(gòu)；以及一種面向硬件結(jié)構(gòu)和應(yīng)

4、用的指令空間調(diào)度方法，使編譯器能夠根據(jù)應(yīng)用程序的計(jì)算特征為其分配硬件資源，在充分開(kāi)發(fā)程序并行性的同時(shí)，提高硬件資源利用率。
　　 (3)研究了編譯技術(shù)對(duì)程序控制流可預(yù)測(cè)性的影響，提出了根據(jù)應(yīng)用程序特征選用與之相適應(yīng)的基本塊選擇算法構(gòu)造超塊的準(zhǔn)則，提高超塊控制流可預(yù)測(cè)性。實(shí)驗(yàn)表明，構(gòu)造超塊時(shí)使用路徑執(zhí)行頻率、路徑寬度等作為選擇基本塊的啟發(fā)式算法，可以提高構(gòu)造出的超塊的控制流可預(yù)測(cè)性，從而提高超塊級(jí)分支預(yù)測(cè)器的成功率，特別是多級(jí)預(yù)測(cè)

5、時(shí)的成功率；同時(shí)應(yīng)用程序本身的控制流特征對(duì)基本塊選擇啟發(fā)式效果有很大影響。本文由此總結(jié)出根據(jù)應(yīng)用程序本身的控制流特征選用合適的基本塊選擇啟發(fā)式的準(zhǔn)則：當(dāng)程序關(guān)鍵路徑較多時(shí)選擇以路徑執(zhí)行頻率主導(dǎo)的啟發(fā)式，當(dāng)程序關(guān)鍵路徑很少時(shí)選擇以路徑寬度主導(dǎo)的啟發(fā)式。
　　 (4)研究了如何利用編譯器簡(jiǎn)化硬件分支預(yù)測(cè)器結(jié)構(gòu)，提出了一種軟硬件協(xié)同的超塊級(jí)分支預(yù)測(cè)器。該預(yù)測(cè)器既有軟件預(yù)測(cè)器實(shí)現(xiàn)代價(jià)小的優(yōu)勢(shì)，又有硬件預(yù)測(cè)器的靈活性和高效率。實(shí)驗(yàn)表明，該

6、預(yù)測(cè)器能在保持預(yù)測(cè)成功率的同時(shí)，將硬件分支預(yù)測(cè)器使用的存儲(chǔ)空間降低到1/2，將硬件分支預(yù)測(cè)器的調(diào)用次數(shù)減少0.1％到15％，從而降低超塊級(jí)分支預(yù)測(cè)器的硬件開(kāi)銷(xiāo)和功耗。
　　 (5)針對(duì)DISC-I指令集的類(lèi)數(shù)據(jù)流編碼風(fēng)格，提出了在TPA-PI體系結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)謂詞執(zhí)行技術(shù)的方法。該方法對(duì)指令集的改動(dòng)很小，只需要lbit謂詞位；不需要額外的微體系結(jié)構(gòu)支持，因此開(kāi)銷(xiāo)很小。本文還提出了一種利用剖析技術(shù)，有選擇地為指令指定謂詞的編譯優(yōu)化方案