片上多線程體系結構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構的不斷發(fā)展，處理器的研究和設計正迎來片上多線程時代。片上多線程體系結構讓多個線程在單個處理器芯片同時運行，共享并競爭各種片上資源，顯著提高了處理器的資源利用率和整體處理能力。然而，多線程并行會帶來新的設計和實現(xiàn)困難：一、增大了處理器內部各種共享資源的設計和實現(xiàn)壓力，包括尺寸、復雜度、功耗、延遲等方面；二、資源的不合理分配和不恰當競爭容易引發(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

2、上述問題，本文從資源分配的角度對片上多線程體系結構進行研究，旨在減輕共享資源的設計和訪問壓力，提高資源利用的效率和公平、降低資源分配的實現(xiàn)代價、提高整體處理能力、提高資源分配的安全等。
　　首先，設計并實現(xiàn)了片上多線程體系結構的節(jié)拍級模擬工具OpenSimCMT，構建了片上多線程體系結構的基礎研究平臺。在此基礎上對片上多線程體系結構的資源分配問題進行研究。主要研究內容包括以下幾個方面：
　　多線程并行進一步增大了寄存器文件的

3、設計和訪問壓力，傳統(tǒng)的寄存器重命名技術難以滿足多線程并行對寄存器數(shù)量的巨大需求，寄存器文件已成為未來處理器進一步提高性能的潛在瓶頸之一。本文利用寄存器目標值的分布特性、寄存器資源的分配特點以及多線程對共享資源占用的互補性，提出兩級分配多可用重命名寄存器技術，使每個寄存器的存儲效率提高將近一倍，有效緩解了片上多線程體系結構對寄存器文件設計壓力。
　　資源濫用現(xiàn)象導致片上多線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)一評測尺度。而后提出線程感知的寄存器重命名機制、并以此為基礎間接調控其它共享資源的分配，實現(xiàn)線程感知的資源分配策略，提高多線程環(huán)境下資源利用的效率和公平，消除資源濫用現(xiàn)象，實現(xiàn)資源的按需分配，提高整體處理能力。
　　片上多線程體系結構的一個重要應用領域是借助線程的冗余運行提高處理器的容錯計算能力。本文從資源分配和線程調度的角度對各種冗余多線程體系結構進行研究對比

5、，提出了間隔譯碼的同時冗余線程體系結構。該結構采用統(tǒng)一取指隊列和間隔譯碼技術相配合，消除冗余的取指過程，減少取指部件和I-Cache訪問壓力，降低硬件復雜度、提高冗余線程的運行效率。
　　多線程對共享資源的競爭還影響到處理器安全運行的能力。本文關注最近發(fā)現(xiàn)的D-Cache隱蔽信道問題，對各種潛在解決措施加以分析，提出了線程感知的D-Cache按路分配策略。該策略以D-Cache訪問情況作為反饋，指導D-Cache進行按路分配，明確