龍芯2號處理器多線程技術(shù)研究.pdf

1、隨著集成電路工藝技術(shù)的發(fā)展，單個芯片上可集成的晶體管數(shù)目已達到10億個，如何利用這些晶體管資源設計高性能處理器成為當前重要的研究課題。多線程技術(shù)通過利用晶體管資源，開發(fā)線程級并行度來提高系統(tǒng)性能，是未來高性能處理器發(fā)展的趨勢。 本文重點研究多線程處理器技術(shù)，以挖掘程序的線程級并行、提高功能部件的利用率為切入點，以降低設計復雜度、提升處理器的性能為研究目標，從多線程處理器的設計、同時多微線程體系結(jié)構(gòu)、存儲一致性模型和寄存器同步和共

2、享等方面對龍芯2號多線程處理器進行了深入研究。本文的主要貢獻及創(chuàng)新點如下： 1．在分析當前多線程技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的基礎上，結(jié)合龍芯處理器的結(jié)構(gòu)特點，提出龍芯2號多線程處理器設計方案，并完成了具體的微體系結(jié)構(gòu)設計以及邏輯設計。在此基礎上，使用0.18um CMOS工藝進行綜合，進行芯片性能和面積評估。龍芯2號多線程處理器擁有超標量、同時多線程和同時多微線程三種運行模式，允許軟件根據(jù)應用程序進行模式選擇，最大限度地發(fā)揮處理器的性

3、能。 2．提出一種融合同時多線程技術(shù)和微線程技術(shù)的新型體系結(jié)構(gòu)——同時多微線程，并且在龍芯2號多線程處理器中實現(xiàn)此技術(shù)。同時多微線程有效結(jié)合同時多線程技術(shù)硬件代價小、資源利用率高和微線程技術(shù)能夠加速單進程應用的優(yōu)點，通過軟硬件協(xié)同的方式充分挖掘單進程程序的微線程級并行性。 3．提出一種新的存儲一致性模型——單芯片多線程一致性模型，并給出其正確性證明。單芯片多線程模型提高了處理器系統(tǒng)的性能，而且不需要對程序員的編程做額外的

4、限制，單處理機的軟件無需作任何修改就可以在多線程處理器上正確運行。提出一種利用例外機制維護多線程處理器的存儲一致性的方法，并給出單芯片多線程一致性模型在龍芯2號多線程處理器上的具體實現(xiàn)方案。 4．提出龍芯2號多線程處理器的線程間寄存器的同步和共享的方案。龍芯2號多線程處理器的寄存器增加Full／Empty狀態(tài)，并且在譯碼流水級進行執(zhí)行條件的檢測，既避免了修正重命名的物理寄存器號的復雜邏輯，又避免阻塞整個流水線。通過線程間的寄存器

5、快速訪問，龍芯2號多線程處理器實現(xiàn)了快速高效的同步以及線程間的數(shù)據(jù)傳遞。 5．在分析同時多線程和同時多微線程模式的軟件需求的基礎上，提出龍芯2號多線程處理器的軟硬件接口協(xié)同設計解決方案，給出相應的操作系統(tǒng)實現(xiàn)方案，設計實現(xiàn)了配套的龍芯2同時多線程和同時多微線程Linux操作系統(tǒng)。龍芯2同時多線程Linux操作系統(tǒng)將調(diào)度兩個進程同時運行在龍芯2號多線程處理器上，以此提高整個軟件系統(tǒng)的性能。龍芯2同時多微線程Linux操作系統(tǒng)則在內(nèi)