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

1、近十年來(lái),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(jí)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(duì)其仿真模型、甚塊可預(yù)測(cè)性、甚塊預(yù)測(cè)器結(jié)構(gòu)等問(wèn)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(kāi)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(jí)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(jí)時(shí)序模型,完成了M5 EDGE模擬器的開(kāi)

3、發(fā)。功能驗(yàn)證和性能評(píng)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(jí)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(jí)時(shí)序模型的M5 EDGE模擬器能夠快速靈活地對(duì)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(duì)甚塊原子性體系結(jié)構(gòu)中的甚塊可預(yù)測(cè)性進(jìn)行了研究。甚塊可預(yù)測(cè)性是實(shí)現(xiàn)甚塊層面控制流推測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ),其研究成果可指導(dǎo)甚塊預(yù)測(cè)

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(guò)分析甚塊出口預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率隨不同預(yù)測(cè)策略和歷史長(zhǎng)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(cè)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(cè)性研究方法,首次從分支類型的角度研究了甚塊可預(yù)測(cè)性。研究結(jié)果顯示,甚塊分支類型和分支目標(biāo)皆可在無(wú)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(cè)。該結(jié)論為后續(xù)提出改進(jìn)的甚塊預(yù)測(cè)

5、器結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。
　　以甚塊出口可預(yù)測(cè)性的研究成果為指導(dǎo),本文對(duì)使用O-GEHL預(yù)測(cè)技術(shù)的甚塊預(yù)測(cè)器進(jìn)行了改進(jìn)。通過(guò)分析文獻(xiàn)中使用O-GEHL預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)甚塊出口進(jìn)行預(yù)測(cè)的特點(diǎn),本文發(fā)現(xiàn)O-GEHL預(yù)測(cè)技術(shù)中選擇器過(guò)多的誤預(yù)測(cè)是導(dǎo)致性能較差的主要因素之一。鑒于此,本文提出了無(wú)選擇器的O-GEHL甚塊出口預(yù)測(cè)器結(jié)構(gòu)。該方案通過(guò)記錄預(yù)測(cè)過(guò)程中成員預(yù)測(cè)器的正確預(yù)測(cè)次數(shù)作為決策依據(jù),與文獻(xiàn)中的預(yù)測(cè)器相比,能夠?qū)⒄`預(yù)測(cè)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(cè)器為滿足多值預(yù)測(cè)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(duì)該缺點(diǎn),本文提出了基于O-GEHL二值預(yù)測(cè)技術(shù)的策略。該策略對(duì)甚塊中每個(gè)出口單獨(dú)使用O-GEHL二值預(yù)測(cè)器,能夠?qū)⒄`預(yù)測(cè)數(shù)平均降低3%。對(duì)上述預(yù)測(cè)器的RTL實(shí)現(xiàn)分析表明,相對(duì)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(duì)甚塊分支類型和分支目標(biāo)可預(yù)測(cè)性的研究成果,本文提出了基于分支類型的甚塊預(yù)測(cè)器。首先

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