基于FPGA的片上多處理器建模方法.pdf

1、片上多處理器的發(fā)展給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究帶來新的發(fā)展空間和挑戰(zhàn)。一方面片上多處理器的發(fā)展使微處理器性能的提升由挖掘指令級(jí)并行性轉(zhuǎn)變?yōu)殚_發(fā)線程級(jí)和數(shù)據(jù)級(jí)并行性。為了開發(fā)片上多處理器的這種并行性，我們必須拋棄傳統(tǒng)單核處理器系統(tǒng)的架構(gòu)，重新設(shè)計(jì)處理器系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，包括硬件微結(jié)構(gòu)、編程模型、編譯器、運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)等等。而另一方面，傳統(tǒng)上用于單核處理器結(jié)構(gòu)研究的軟件模擬器已經(jīng)明顯不能滿足片上多處理器系統(tǒng)下這種軟硬件研究的需要。處理器核數(shù)的膨脹使軟件

2、模擬器的性能成比例降低，無法進(jìn)行周期精確的硬件結(jié)構(gòu)模擬，更無法進(jìn)行全系統(tǒng)模擬和系統(tǒng)軟件的研究。由于以上原因，多核處理器體系結(jié)構(gòu)的研究缺乏大量的實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)和全面、有效的指導(dǎo)，而軟件模擬器成為了多核時(shí)代處理器體系結(jié)構(gòu)研究的瓶頸。因此，新的處理器模擬工具是有效開展片上多處理器結(jié)構(gòu)研究的關(guān)鍵。FPGA天生的并行性使它在模擬片上多處理器時(shí)具有較高的模擬性能和高度的可擴(kuò)放性，成為研究多核處理器體系結(jié)構(gòu)理想的模擬平臺(tái)。
　　 本文研究了基于FP

3、GA的片上多處理器建模方法。主要研究?jī)?nèi)容和成果包括：(1)研究了處理器的功能模型、性能模型以及原型，提出了一種功能與時(shí)序分離的處理器性能模型架構(gòu)。其中功能部分只完成處理器的動(dòng)作，不考慮硬件結(jié)構(gòu)和動(dòng)作的時(shí)序。時(shí)序部分則模擬處理器微結(jié)構(gòu)，控制處理器動(dòng)作發(fā)生的時(shí)序，并驅(qū)動(dòng)功能部分模擬處理器的動(dòng)作。由于功能部分與處理器的微結(jié)構(gòu)無關(guān)，所以相同的功能部分可以重用于各種時(shí)序部分，并且可以兼容各種模擬方式，包括使用軟件的模擬或者跨平臺(tái)的模擬。這種架構(gòu)使

4、已有工作有效的被重用，減少了建模工作量。(2)研究了模擬器模塊間的同步方式，針對(duì)FPGA模擬的特點(diǎn)提出基于管道的性能模擬技術(shù)。這種技術(shù)允許不同的處理器模塊在同一時(shí)刻模擬不同的目標(biāo)時(shí)鐘周期，使運(yùn)行速度較快的模塊不必等待運(yùn)行速度較慢的模塊，顯著提升了系統(tǒng)的模擬性能。模擬器各個(gè)模塊之間的性能差距越大，管道模擬能發(fā)揮的作用也越大。(3)提出了使用軟硬件協(xié)同模擬調(diào)節(jié)FPGA資源使用量和簡(jiǎn)化建模的方法。片上多處理器的模擬需要大量的FPGA資源，我們

5、使用軟件實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)緩存機(jī)制可以將數(shù)據(jù)緩存到宿主機(jī)器上，有效調(diào)節(jié)FPGA資源。基于FPGA的模擬不適合實(shí)現(xiàn)某些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可以使用軟件實(shí)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)的功能，簡(jiǎn)化FPGA建模過程。同時(shí)，F(xiàn)PGA模擬調(diào)試復(fù)雜且編譯時(shí)間過長(zhǎng)，我們通過使用軟件實(shí)現(xiàn)模塊并進(jìn)行調(diào)試，有效減小建模難度，縮短編譯時(shí)間。(4)研究了多核模擬的分時(shí)復(fù)用方法，提出了細(xì)粒度的分時(shí)復(fù)用技術(shù)。該技術(shù)將每個(gè)模塊分為邏輯與狀態(tài)兩部分，將狀態(tài)根據(jù)模擬核數(shù)復(fù)制多份，并將邏輯部分重用。細(xì)粒度的

6、分時(shí)復(fù)用技術(shù)以模擬器各個(gè)模塊內(nèi)的規(guī)則為復(fù)用單位，使在任意時(shí)刻一個(gè)模塊內(nèi)可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)處理器核的模擬，提高了系統(tǒng)資源的利用率。(5)分析了基于FPGA的模擬器性能瓶頸，提出了若干模擬性能的優(yōu)化技術(shù)。包括在功能部分與時(shí)序部分之間統(tǒng)計(jì)功能部分延遲的機(jī)制，以及在時(shí)序部分各模塊之間統(tǒng)計(jì)延遲的機(jī)制。(6)基于以上研究工作實(shí)現(xiàn)了RAMP-Pink模擬平臺(tái)。RAMP-Pink平臺(tái)是對(duì)事務(wù)存儲(chǔ)和推測(cè)多線程提供統(tǒng)一支持的多核處理器模擬平臺(tái)，采用了Alph

7、a指令集；實(shí)現(xiàn)了RAMP-Pink平臺(tái)上創(chuàng)建多線程的機(jī)制，取代PThreads庫(kù)，該機(jī)制也可用于其他無操作系統(tǒng)支持的多核模擬平臺(tái)；設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于目錄的MESICache一致性協(xié)議。
　　 在研究基于FPGA的處理器建模和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)RAMP-Pink系統(tǒng)的過程中我們得到一些如何進(jìn)行多核處理器硬件建模的認(rèn)識(shí)。首先，軟件模擬片上多處理器的關(guān)鍵問題是軟件的串行性無法適應(yīng)不斷膨脹的處理器核數(shù)，為此采用具有高度可擴(kuò)放性的FPGA模擬平臺(tái)