片上多線(xiàn)程體系結(jié)構(gòu)資源分配策略的研究.pdf

1、隨著晶體管集成密度的日益提高和處理器體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，處理器的研究和設(shè)計(jì)正迎來(lái)片上多線(xiàn)程時(shí)代。片上多線(xiàn)程體系結(jié)構(gòu)讓多個(gè)線(xiàn)程在單個(gè)處理器芯片同時(shí)運(yùn)行，共享并競(jìng)爭(zhēng)各種片上資源，顯著提高了處理器的資源利用率和整體處理能力。然而，多線(xiàn)程并行會(huì)帶來(lái)新的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)困難：一、增大了處理器內(nèi)部各種共享資源的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)壓力，包括尺寸、復(fù)雜度、功耗、延遲等方面；二、資源的不合理分配和不恰當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)容易引發(fā)資源濫用，從而影響資源利用的效率、公平及整體性能。針對(duì)

2、上述問(wèn)題，本文從資源分配的角度對(duì)片上多線(xiàn)程體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，旨在減輕共享資源的設(shè)計(jì)和訪(fǎng)問(wèn)壓力，提高資源利用的效率和公平、降低資源分配的實(shí)現(xiàn)代價(jià)、提高整體處理能力、提高資源分配的安全等。
　　首先，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了片上多線(xiàn)程體系結(jié)構(gòu)的節(jié)拍級(jí)模擬工具OpenSimCMT，構(gòu)建了片上多線(xiàn)程體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上對(duì)片上多線(xiàn)程體系結(jié)構(gòu)的資源分配問(wèn)題進(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　多線(xiàn)程并行進(jìn)一步增大了寄存器文件的

3、設(shè)計(jì)和訪(fǎng)問(wèn)壓力，傳統(tǒng)的寄存器重命名技術(shù)難以滿(mǎn)足多線(xiàn)程并行對(duì)寄存器數(shù)量的巨大需求，寄存器文件已成為未來(lái)處理器進(jìn)一步提高性能的潛在瓶頸之一。本文利用寄存器目標(biāo)值的分布特性、寄存器資源的分配特點(diǎn)以及多線(xiàn)程對(duì)共享資源占用的互補(bǔ)性，提出兩級(jí)分配多可用重命名寄存器技術(shù)，使每個(gè)寄存器的存儲(chǔ)效率提高將近一倍，有效緩解了片上多線(xiàn)程體系結(jié)構(gòu)對(duì)寄存器文件設(shè)計(jì)壓力。
　　資源濫用現(xiàn)象導(dǎo)致片上多線(xiàn)程處理器的資源利用率下降及整體處理能力降低。本文分析產(chǎn)生資源

4、濫用的深層次原因，提出資源占用均衡度的概念，作為資源利用效率和公平的統(tǒng)一評(píng)測(cè)尺度。而后提出線(xiàn)程感知的寄存器重命名機(jī)制、并以此為基礎(chǔ)間接調(diào)控其它共享資源的分配，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程感知的資源分配策略，提高多線(xiàn)程環(huán)境下資源利用的效率和公平，消除資源濫用現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)資源的按需分配，提高整體處理能力。
　　片上多線(xiàn)程體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是借助線(xiàn)程的冗余運(yùn)行提高處理器的容錯(cuò)計(jì)算能力。本文從資源分配和線(xiàn)程調(diào)度的角度對(duì)各種冗余多線(xiàn)程體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究對(duì)比

5、，提出了間隔譯碼的同時(shí)冗余線(xiàn)程體系結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用統(tǒng)一取指隊(duì)列和間隔譯碼技術(shù)相配合，消除冗余的取指過(guò)程，減少取指部件和I-Cache訪(fǎng)問(wèn)壓力，降低硬件復(fù)雜度、提高冗余線(xiàn)程的運(yùn)行效率。
　　多線(xiàn)程對(duì)共享資源的競(jìng)爭(zhēng)還影響到處理器安全運(yùn)行的能力。本文關(guān)注最近發(fā)現(xiàn)的D-Cache隱蔽信道問(wèn)題，對(duì)各種潛在解決措施加以分析，提出了線(xiàn)程感知的D-Cache按路分配策略。該策略以D-Cache訪(fǎng)問(wèn)情況作為反饋，指導(dǎo)D-Cache進(jìn)行按路分配，明確