發(fā)布時(shí)間：2019-02-20 07:40

【摘要】：半導(dǎo)體工藝發(fā)展進(jìn)入深亞微米工藝時(shí)代后,傳統(tǒng)的多核處理器設(shè)計(jì)面臨著功耗、線延遲和可擴(kuò)展性等諸多問(wèn)題,制約了傳統(tǒng)多核結(jié)構(gòu)處理器性能的提升。另一方面,應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)對(duì)資源的需求呈現(xiàn)差異性和階段性的特征,固定粒度的處理器設(shè)計(jì)難以保證在程序運(yùn)行全過(guò)程中資源分配的效率,勢(shì)必造成資源需求與實(shí)際資源分配的不匹配問(wèn)題。因此,設(shè)計(jì)一種既符合半導(dǎo)體工藝發(fā)展趨勢(shì),又能夠滿足應(yīng)用程序資源需求階段性特征的新型處理器結(jié)構(gòu)顯得迫在眉睫。 本文從編程模型、重構(gòu)模式、指令執(zhí)行模型、指令集以及硬件微結(jié)構(gòu)等方面較為系統(tǒng)地研究了可重構(gòu)眾核結(jié)構(gòu)的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題,提出并驗(yàn)證了一種基于類(lèi)數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)模型的可重構(gòu)眾核流處理器結(jié)構(gòu)。研究工作對(duì)目前商用流處理器的結(jié)構(gòu)及編程模型進(jìn)行分析,提煉出可重構(gòu)眾核流處理器的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題與趨勢(shì)；在軟件層面提出了支持可重構(gòu)眾核流處理器的流程序執(zhí)行模型,包括流編程模型、重構(gòu)模式、映射方案以及指令執(zhí)行模型；在硬件層面提出了分片式的可重構(gòu)眾核流處理器TPA-S,并設(shè)計(jì)了與之配套的片上二級(jí)緩存結(jié)構(gòu)。本文的主要研究?jī)?nèi)容與所取得研究成果可歸納為以下四個(gè)方面： 1.研究了計(jì)算密集型應(yīng)用及流處理模型的特征,提出了適合可重構(gòu)眾核流處理器的流程序執(zhí)行模型。程序執(zhí)行模型采用CUDA作為流編程模型,提出并分析了深度優(yōu)先映射和廣度優(yōu)先映射兩種程序映射方案,提出了基于同構(gòu)物理核的邏輯處理器重構(gòu)模式,設(shè)計(jì)了基于超塊結(jié)構(gòu)的類(lèi)數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的指令執(zhí)行模型和相應(yīng)指令集DISC-S. 2.研究了類(lèi)數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)執(zhí)行的硬件架構(gòu),提出了支持DISC-S指令集的可重構(gòu)眾核流處理器TPA-S設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了邏輯處理器的運(yùn)行時(shí)可重構(gòu)機(jī)制。TPA-S處理器采用了類(lèi)數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行模型,片上集成了多個(gè)擁有獨(dú)立計(jì)算和存儲(chǔ)部件的細(xì)粒度同構(gòu)物理核,物理核間采用基于路由節(jié)點(diǎn)的二維Mesh結(jié)構(gòu)互連,以數(shù)據(jù)報(bào)文的形式實(shí)現(xiàn)不同物理核之間的數(shù)據(jù)傳輸,并以物理核為基礎(chǔ)構(gòu)造運(yùn)算能力更強(qiáng)的粗粒度邏輯處理器。 3.研究了不同硬件配置參數(shù)對(duì)TPA-S處理器性能的影響,對(duì)TPA-S處理器的設(shè)計(jì)空間進(jìn)行探索,分析了影響程序在TPA-S處理器上執(zhí)行性能的關(guān)鍵因素。本文選取了10個(gè)真實(shí)應(yīng)用作為Benchmark,考察了TPA-S處理器的執(zhí)行性能,并對(duì)物理核中計(jì)算部件和存儲(chǔ)部件的配置以及物理核間的片上互連的帶寬與延遲等參數(shù)對(duì)程序執(zhí)行性能的影響進(jìn)行了評(píng)估。 4.研究并提出了TPA-S處理器上基于UCA架構(gòu)和Mesh-SNUCA架構(gòu)的片上 二級(jí)緩存系統(tǒng)設(shè)計(jì),評(píng)估了兩種不同架構(gòu)片上二級(jí)緩存的性能表現(xiàn),探討了基于Mesh-SNUCA架構(gòu)的片上二級(jí)緩存重構(gòu)機(jī)制。本文在TPA-S模擬器上利用真實(shí)應(yīng)用對(duì)UCA架構(gòu)和基Mesh-SNUCA架構(gòu)的片上二級(jí)緩存系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估,還探討了Mesh-SNUCA架構(gòu)上片上二級(jí)緩存結(jié)構(gòu)的運(yùn)行時(shí)重配置機(jī)制,通過(guò)在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)修改片上二級(jí)緩存與物理核通信接口內(nèi)部的地址映射表,可實(shí)現(xiàn)對(duì)片上二級(jí)緩存結(jié)構(gòu)的重配置。 本文的研究工作還獲得了以下重要認(rèn)識(shí)：(1)不同種類(lèi)的應(yīng)用程序?qū)Y源的需求差異明顯,且同一個(gè)程序在執(zhí)行的不同階段對(duì)資源需求存在階段性,利用可重構(gòu)技術(shù)可適應(yīng)這種差異性和階段性；(2)流處理器可采用類(lèi)數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行模型,通過(guò)超塊級(jí)的數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)來(lái)挖掘指令級(jí)并行性；(3)片上互連網(wǎng)絡(luò)的性能是影響采用分片式設(shè)計(jì)的可重構(gòu)眾核結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素； 本文提出了一種類(lèi)數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的可重構(gòu)眾核流處理器TPA-S,并對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)、執(zhí)行模型、編程環(huán)境及重構(gòu)機(jī)制等方面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,研究成果可供設(shè)計(jì)采用眾核結(jié)構(gòu)的高性能流處理器參考。
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【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類(lèi)號(hào)】：TP332

【引證文獻(xiàn)】

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1 王可鋒;吳曉;羅眉;;眾核多計(jì)算模式系統(tǒng)的構(gòu)建[J];現(xiàn)代電子技術(shù);2013年22期

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1 孫敏敏;Backprojection成像多核并行計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D];南京大學(xué);2013年

2 袁夢(mèng)羽;深空目標(biāo)紅外光學(xué)特性仿真方法研究[D];南京理工大學(xué);2014年

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本文編號(hào)：2426956