龍芯2號(hào)處理器多線程技術(shù)研究.pdf

1、隨著集成電路工藝技術(shù)的發(fā)展，單個(gè)芯片上可集成的晶體管數(shù)目已達(dá)到10億個(gè)，如何利用這些晶體管資源設(shè)計(jì)高性能處理器成為當(dāng)前重要的研究課題。多線程技術(shù)通過(guò)利用晶體管資源，開發(fā)線程級(jí)并行度來(lái)提高系統(tǒng)性能，是未來(lái)高性能處理器發(fā)展的趨勢(shì)。 本文重點(diǎn)研究多線程處理器技術(shù)，以挖掘程序的線程級(jí)并行、提高功能部件的利用率為切入點(diǎn)，以降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度、提升處理器的性能為研究目標(biāo)，從多線程處理器的設(shè)計(jì)、同時(shí)多微線程體系結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)一致性模型和寄存器同步和共

2、享等方面對(duì)龍芯2號(hào)多線程處理器進(jìn)行了深入研究。本文的主要貢獻(xiàn)及創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1．在分析當(dāng)前多線程技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合龍芯處理器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出龍芯2號(hào)多線程處理器設(shè)計(jì)方案，并完成了具體的微體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及邏輯設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，使用0.18um CMOS工藝進(jìn)行綜合，進(jìn)行芯片性能和面積評(píng)估。龍芯2號(hào)多線程處理器擁有超標(biāo)量、同時(shí)多線程和同時(shí)多微線程三種運(yùn)行模式，允許軟件根據(jù)應(yīng)用程序進(jìn)行模式選擇，最大限度地發(fā)揮處理器的性

3、能。 2．提出一種融合同時(shí)多線程技術(shù)和微線程技術(shù)的新型體系結(jié)構(gòu)——同時(shí)多微線程，并且在龍芯2號(hào)多線程處理器中實(shí)現(xiàn)此技術(shù)。同時(shí)多微線程有效結(jié)合同時(shí)多線程技術(shù)硬件代價(jià)小、資源利用率高和微線程技術(shù)能夠加速單進(jìn)程應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)軟硬件協(xié)同的方式充分挖掘單進(jìn)程程序的微線程級(jí)并行性。 3．提出一種新的存儲(chǔ)一致性模型——單芯片多線程一致性模型，并給出其正確性證明。單芯片多線程模型提高了處理器系統(tǒng)的性能，而且不需要對(duì)程序員的編程做額外的

4、限制，單處理機(jī)的軟件無(wú)需作任何修改就可以在多線程處理器上正確運(yùn)行。提出一種利用例外機(jī)制維護(hù)多線程處理器的存儲(chǔ)一致性的方法，并給出單芯片多線程一致性模型在龍芯2號(hào)多線程處理器上的具體實(shí)現(xiàn)方案。 4．提出龍芯2號(hào)多線程處理器的線程間寄存器的同步和共享的方案。龍芯2號(hào)多線程處理器的寄存器增加Full／Empty狀態(tài)，并且在譯碼流水級(jí)進(jìn)行執(zhí)行條件的檢測(cè)，既避免了修正重命名的物理寄存器號(hào)的復(fù)雜邏輯，又避免阻塞整個(gè)流水線。通過(guò)線程間的寄存器

5、快速訪問(wèn)，龍芯2號(hào)多線程處理器實(shí)現(xiàn)了快速高效的同步以及線程間的數(shù)據(jù)傳遞。 5．在分析同時(shí)多線程和同時(shí)多微線程模式的軟件需求的基礎(chǔ)上，提出龍芯2號(hào)多線程處理器的軟硬件接口協(xié)同設(shè)計(jì)解決方案，給出相應(yīng)的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了配套的龍芯2同時(shí)多線程和同時(shí)多微線程Linux操作系統(tǒng)。龍芯2同時(shí)多線程Linux操作系統(tǒng)將調(diào)度兩個(gè)進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行在龍芯2號(hào)多線程處理器上，以此提高整個(gè)軟件系統(tǒng)的性能。龍芯2同時(shí)多微線程Linux操作系統(tǒng)則在內(nèi)