分片式處理器上指令調(diào)度器的設(shè)計及優(yōu)化.pdf

1、隨著半導體技術(shù)和計算機體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，分片式處理器逐漸成為多核領(lǐng)域的一個發(fā)展方向。分片式處理器有效解決和緩解了線延遲、功耗、可擴展性等現(xiàn)代處理器面臨的主要問題。分片式處理器采用全局控制流和局部數(shù)據(jù)流相結(jié)合的執(zhí)行模型，將程序劃分成單入口、多出口的超塊結(jié)構(gòu)，超塊之間維護控制依賴關(guān)系，超塊內(nèi)部采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動的方式執(zhí)行以開發(fā)指令級并行性。分片式處理器結(jié)構(gòu)的類數(shù)據(jù)流執(zhí)行模型對編譯器提出了更多的要求，指令調(diào)度器作為分片式處理器編譯系統(tǒng)的重要組成

2、部分，是完成軟硬件協(xié)同設(shè)計提高程序性能的關(guān)鍵。
　　 本文圍繞分片式處理器TPA-PI，分析研究影響指令調(diào)度的各種因素，設(shè)計并實現(xiàn)適用于TPA-PI 結(jié)構(gòu)的指令調(diào)度器。
　　 論文的主要研究內(nèi)容和成果包括以下幾個方面：(1）設(shè)計并實現(xiàn)了TPA-PI處理器的指令調(diào)度器。TPA-PI 指令調(diào)度器將程序以超塊為單位映射到TPA-PI 處理器執(zhí)行單元陣列上。它以TPA-C 程序作為輸入，生成TPA-S 格式的匯編代碼程序。指令調(diào)

3、度器在將TPA-C 指令格式轉(zhuǎn)化為TPA-S 指令格式時插入軟件扇出樹。指令調(diào)度器采用啟發(fā)式的方法將程序以超塊為單位映射到處理器單元陣列上，在映射時要綜合考慮超塊內(nèi)指令級并行性和硬件資源的利用率之間的關(guān)系。
　　 最后指令調(diào)度器生成TPA-S 格式的匯編代碼程序。(2）對影響程序執(zhí)行性能的因素進行量化分析，改進指令調(diào)度的啟發(fā)式函數(shù)。首先使用TPA-PI的編譯器和軟件模擬器為指令調(diào)度器搭建實驗平臺，在這個實驗平臺上實現(xiàn)一個基于貪心

4、的啟發(fā)式指令調(diào)度算法。然后以這個調(diào)度實現(xiàn)為基礎(chǔ)，分別將關(guān)鍵路徑、負載平衡、數(shù)據(jù)局部性、寄存器指令、錨點指令、加權(quán)路徑和平均路徑、片上網(wǎng)絡(luò)等參數(shù)加入到啟發(fā)式函數(shù)中，衡量這些參數(shù)對程序執(zhí)行性能的影響。并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)結(jié)果對啟發(fā)式函數(shù)進行修改。(3）提出基于AVBLON和ARBLON 啟發(fā)式函數(shù)的指令調(diào)度算法。將錨點指令(A)、加權(quán)路徑信息(V)、負載平衡(B)、數(shù)據(jù)局部性(L)、寄存器依賴(O)、片上網(wǎng)絡(luò)(N)等參數(shù)加入到啟發(fā)式函數(shù)中，形成最

5、后的AVBLON指令調(diào)度算法。實驗表明，基于AVBLON 啟發(fā)式指令調(diào)度器比基于貪心算法的調(diào)度器的程序性能提高了28％。為了彌補加權(quán)路徑參數(shù)必須得到程序剖析信息的缺陷提出使用平均路徑參數(shù)代替加權(quán)路徑參數(shù)。
　　 本論文的研究工作為TPA-PI 提供了可用的指令調(diào)度器，為處理器開發(fā)更多的指令級并行性提供幫助。實驗得到的結(jié)果也可以指導編譯系統(tǒng)設(shè)計者和處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計者對編譯系統(tǒng)和處理器結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化。隨著半導體技術(shù)和計算機體系結(jié)構(gòu)

6、技術(shù)的發(fā)展，分片式處理器逐漸成為多核領(lǐng)域的一個發(fā)展方向。分片式處理器有效解決和緩解了線延遲、功耗、可擴展性等現(xiàn)代處理器面臨的主要問題。分片式處理器采用全局控制流和局部數(shù)據(jù)流相結(jié)合的執(zhí)行模型，將程序劃分成單入口、多出口的超塊結(jié)構(gòu)，超塊之間維護控制依賴關(guān)系，超塊內(nèi)部采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動的方式執(zhí)行以開發(fā)指令級并行性。分片式處理器結(jié)構(gòu)的類數(shù)據(jù)流執(zhí)行模型對編譯器提出了更多的要求，指令調(diào)度器作為分片式處理器編譯系統(tǒng)的重要組成部分，是完成軟硬件協(xié)同設(shè)計提高

7、程序性能的關(guān)鍵。
　　 本文圍繞分片式處理器TPA-PI，分析研究影響指令調(diào)度的各種因素，設(shè)計并實現(xiàn)適用于TPA-PI 結(jié)構(gòu)的指令調(diào)度器。
　　 論文的主要研究內(nèi)容和成果包括以下幾個方面：(1）設(shè)計并實現(xiàn)了TPA-PI處理器的指令調(diào)度器。TPA-PI 指令調(diào)度器將程序以超塊為單位映射到TPA-PI 處理器執(zhí)行單元陣列上。它以TPA-C 程序作為輸入，生成TPA-S 格式的匯編代碼程序。指令調(diào)度器在將TPA-C 指令格式轉(zhuǎn)

8、化為TPA-S 指令格式時插入軟件扇出樹。指令調(diào)度器采用啟發(fā)式的方法將程序以超塊為單位映射到處理器單元陣列上，在映射時要綜合考慮超塊內(nèi)指令級并行性和硬件資源的利用率之間的關(guān)系。
　　 最后指令調(diào)度器生成TPA-S 格式的匯編代碼程序。(2）對影響程序執(zhí)行性能的因素進行量化分析，改進指令調(diào)度的啟發(fā)式函數(shù)。首先使用TPA-PI的編譯器和軟件模擬器為指令調(diào)度器搭建實驗平臺，在這個實驗平臺上實現(xiàn)一個基于貪心的啟發(fā)式指令調(diào)度算法。然后以這

9、個調(diào)度實現(xiàn)為基礎(chǔ)，分別將關(guān)鍵路徑、負載平衡、數(shù)據(jù)局部性、寄存器指令、錨點指令、加權(quán)路徑和平均路徑、片上網(wǎng)絡(luò)等參數(shù)加入到啟發(fā)式函數(shù)中，衡量這些參數(shù)對程序執(zhí)行性能的影響。并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)結(jié)果對啟發(fā)式函數(shù)進行修改。(3）提出基于AVBLON和ARBLON 啟發(fā)式函數(shù)的指令調(diào)度算法。將錨點指令(A)、加權(quán)路徑信息(V)、負載平衡(B)、數(shù)據(jù)局部性(L)、寄存器依賴(O)、片上網(wǎng)絡(luò)(N)等參數(shù)加入到啟發(fā)式函數(shù)中，形成最后的AVBLON指令調(diào)度算法。