同時(shí)多線程處理器前端系統(tǒng)的研究.pdf

1、同時(shí)多線程處理器(SMT)通過在每個(gè)時(shí)鐘周期從多個(gè)同時(shí)運(yùn)行的線程取指令執(zhí)行，充分挖掘了線程內(nèi)的指令級(jí)并行性和線程間的線程級(jí)并行性，減少了指令槽的水平浪費(fèi)和垂直浪費(fèi)，從而極大地提高了處理器的指令吞吐率，成為目前主流的微處理器體系結(jié)構(gòu)之一。 SMT的前端系統(tǒng)(包括：取指部件、1級(jí)Cache和分支預(yù)測(cè)器)是影響其性能的關(guān)鍵，也是目前學(xué)術(shù)界研究SMT的重點(diǎn)。本論文分別從其前端系統(tǒng)的三個(gè)部件出發(fā)，就取指策略、Cache的壓縮存儲(chǔ)技術(shù)及分支

2、預(yù)測(cè)器進(jìn)行了研究，提出兩個(gè)有效的取指策略、一種簡(jiǎn)單的Cache壓縮技術(shù)，以及一種基于值的分支預(yù)測(cè)方法，將這些研究成果結(jié)合起來構(gòu)成一個(gè)新的前端系統(tǒng)，使其總體性能得到了大幅度的提高。具體的研究成果如下： ● 一種有效的SMT取指策略——IPCBFP：該策略分析了目前性能最好的ICOUNT策略的取指特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其存在線程指令分配不適當(dāng)?shù)膯栴}，針對(duì)該問題提出一種新的取指策略IPCBFP，該策略通過很少的硬件支持即可使SMT的總體性能得到

3、很大的提高，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中其他資源的利用也更加有效； ● 一種具有QoS特性的取指策略：目前對(duì)在SMT中支持線程的QoS需求的研究非常少，僅有的一個(gè)策略其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度很高，不利于物理上的實(shí)現(xiàn)。本研究只從取指的角度來實(shí)現(xiàn)線程QoS的需求，提出一種新的取指策略，該策略在一定精度的范圍內(nèi)可以同時(shí)滿足多個(gè)線程的QoS需求，與前人的研究成果相比，該策略的實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)單，但精度稍差； ● 一種簡(jiǎn)單的Cache壓縮存儲(chǔ)技術(shù)和一種覆蓋存儲(chǔ)

4、結(jié)構(gòu)：在SMT的研究中，因多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)Cache導(dǎo)致Cache失效率大幅度增加和單線程性能下降的問題一直沒有得到很好的解決，本研究從Cache壓縮存儲(chǔ)的角度來解決該問題，提出一種簡(jiǎn)單的Cache壓縮存儲(chǔ)技術(shù)和一種覆蓋存儲(chǔ)方法，獲得了較好的研究結(jié)果，使Cache的潛在容量大大提高，有效地減少了Cache失效次數(shù)，提高了SMT的總體性能；該研究同時(shí)給出了關(guān)于Cache壓縮技術(shù)在SMT下應(yīng)用的一些結(jié)論； ● 一種基于數(shù)據(jù)值的分支預(yù)測(cè)

5、器VBBP：多線程共享分支預(yù)測(cè)器的空間導(dǎo)致分支預(yù)測(cè)命中率大幅度下降，極大地影響了單線程的性能，本研究從數(shù)據(jù)值的角度提出一種新的分支預(yù)測(cè)器，并作為一個(gè)輔助部件與傳統(tǒng)的分支預(yù)測(cè)器共同使用：初步研究表明，該預(yù)測(cè)器有效地提高了分支預(yù)測(cè)的命中率； ● 結(jié)合上述研究成果提出的一種新的SMT前端系統(tǒng)組成方式：新的前端系統(tǒng)有效地提高了SMT的總體性能。與傳統(tǒng)的基于ICOUNT取指策略和gshare分支預(yù)測(cè)器的前端結(jié)構(gòu)相比，其性能得到了大幅度的