微處理器性能分析與優(yōu)化.pdf

1、面對(duì)日益復(fù)雜的設(shè)計(jì)和有限的設(shè)計(jì)時(shí)間，如何有效地進(jìn)行性能分析和優(yōu)化，是擺在每一個(gè)處理器設(shè)計(jì)者面前的問題。本文緊密結(jié)合一個(gè)高性能微處理器(龍芯2號(hào)[HZL05])的設(shè)計(jì)，從性能分析環(huán)境設(shè)計(jì)和性能分析方法著手，系統(tǒng)地研究了微處理器性能分析和優(yōu)化問題，并根據(jù)性能分析結(jié)果提出了若干龍芯2號(hào)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。 性能分析環(huán)境的核心是目標(biāo)處理器和工作負(fù)載的模型，這些模型的準(zhǔn)確性、速度和靈活性是其關(guān)鍵指標(biāo)。處理器的RTL模型是一種準(zhǔn)確的模型，但是它的

2、速度和靈活性不能滿足性能分析的要求。本文提出了一種使用高級(jí)語言對(duì)硬件建模的方法，并使用它建立了龍芯2號(hào)的信號(hào)級(jí)模擬器ICT-godson。ICT-godson和RTL的邏輯行為相同，但速度可以比RTL仿真高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。 ICT-godson部分解決了運(yùn)行速度的問題，但由于它還是模擬了所有硬件信號(hào)和行為，其速度和靈活性依然受到比較大的限制。為此本文進(jìn)一步建立了一種更高層的模擬器Sim-godson。Sim-godson是一個(gè)用

3、C語言實(shí)現(xiàn)的龍芯2號(hào)處理器性能模型。執(zhí)行驅(qū)動(dòng)的組織方式、高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法以及模塊化實(shí)現(xiàn)保證了Sim-godson的速度和靈活性。Sim-godson每秒能夠模擬約500K個(gè)處理器周期，和目前公開的最快的詳細(xì)模擬器相當(dāng)。Sim-godson支持大程序快速評(píng)估，能夠在一個(gè)小時(shí)內(nèi)準(zhǔn)確地給出SPEC CPU2000程序的性能數(shù)據(jù)。Sim-godson同時(shí)支持用戶級(jí)模擬和全系統(tǒng)模擬，既能滿足不同場(chǎng)合的要求，還能方便地隔離操作系統(tǒng)和I/O對(duì)程序

4、性能的影響。本文還為Sim-godson建立了一個(gè)完整的驗(yàn)證流程，它能夠有效地控制模擬器的誤差。 為了充分滿足不同設(shè)計(jì)階段和設(shè)計(jì)目的的需求，性能分析環(huán)境應(yīng)該由一組工具組成。除了ICT-godson和Sim-godson兩種高級(jí)語言性能模型，本文建立的性能分析環(huán)境還包括RTL和FPGA仿真環(huán)境以及一些輔助的軟件工具。RTL和FPGA主要用于驗(yàn)證高級(jí)語言模型，各種輔助工具可以用于工作負(fù)載的分析和優(yōu)化。 本文為ICT-gods

5、on和Sim-godson模擬器實(shí)現(xiàn)了多角度的數(shù)據(jù)收集。這種方法能夠從各個(gè)側(cè)面體現(xiàn)目標(biāo)處理器的行為，幫助設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)性能瓶頸。為了更深入地理解高性能微處理器的行為，本文進(jìn)一步考察了一些瓶頸分析方法。這些方法能夠用來系統(tǒng)地確定處理器內(nèi)部各類瓶頸因素的重要程度以及它們之間的關(guān)系。 最后，本文詳細(xì)地討論了龍芯2號(hào)性能分析和優(yōu)化工作。我們展示了多角度的數(shù)據(jù)收集方法的實(shí)際應(yīng)用，分析了龍芯2號(hào)的瓶頸，并討論了基于性能分析的一些優(yōu)化，包括Lo