【摘要】：VLSI技術(shù)的迅猛發(fā)展和計算密集型應(yīng)用的不斷涌現(xiàn),驅(qū)動計算機體系結(jié)構(gòu)不斷革新,高性能可擴展的并行體系結(jié)構(gòu)成為學術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的焦點。流體系結(jié)構(gòu)以結(jié)構(gòu)簡單、芯片資源利用率高、并行計算能力強、可擴展性好等顯著優(yōu)勢,逐漸成為未來并行體系結(jié)構(gòu)的一個重要分支。新興流處理器如Imagine、Merrimac、FT64、MASA、Cell、NVIDIA G80、Storm DSP、Tiles64等,都得到了廣泛的關(guān)注。隨著對流體系結(jié)構(gòu)研究的不斷深入,一些新的問題不斷產(chǎn)生,如流體系結(jié)構(gòu)片上指令存儲器利用率不高、單一的SIMD執(zhí)行模式對流應(yīng)用領(lǐng)域的限制、流體系結(jié)構(gòu)不斷擴展帶來的仿真成本和仿真速度之間的矛盾等問題。在這樣的背景下,作者選擇了“流體系結(jié)構(gòu)指令管理及系統(tǒng)虛擬化仿真技術(shù)研究”作為論文課題。 本文對流體系結(jié)構(gòu)進行了深入系統(tǒng)的研究,研究的內(nèi)容涉及kernel指令碼分析、指令存儲器設(shè)計、流體系結(jié)構(gòu)執(zhí)行模式、基于FPGA的流體系結(jié)構(gòu)仿真系統(tǒng)優(yōu)化等關(guān)鍵領(lǐng)域。本文的工作和創(chuàng)新主要體現(xiàn)在: 1.提出了一種提高流體系結(jié)構(gòu)片上指令存儲器利用率的解決方案——基于kernel熱代碼管理的指令存儲器。本文建立了Kernel-SPM模型,從kernel特征分析出發(fā),定義了kernel熱代碼,并提出了kernel熱代碼定理和kernel熱代碼的查找方法。根據(jù)kernel熱代碼的特征,本文提出了kernel熱代碼和kernel涼代碼分別管理的kernel指令管理策略,并構(gòu)建了基于kernel熱代碼優(yōu)化的軟件管理指令存儲器和軟硬件混合管理指令存儲器。實驗表明,在合適的配置下,兩種存儲結(jié)構(gòu)都能有效的降低片上指令存儲器的面積開銷,且對程序的性能影響較小。 2.提出了VLIW分域壓縮技術(shù),設(shè)計并實現(xiàn)了流體系結(jié)構(gòu)全分布式指令存儲器。本文首先通過對一系列典型流應(yīng)用的測試分析,量化了VLIW各子域的空操作比例。針對于流應(yīng)用中VLIW稀疏問題,提出了VLIW分域壓縮技術(shù),設(shè)計了流體系結(jié)構(gòu)全分布式指令存儲器,并提出了流體系結(jié)構(gòu)SIMD流水執(zhí)行模式。實驗證明,分域壓縮技術(shù)與全分布式指令存儲器結(jié)合,能有效的減少流體系結(jié)構(gòu)中指令碼對片上指令存儲空間和存儲帶寬的需求。 3.提出了流處理器多態(tài)技術(shù),并完成了流體系結(jié)構(gòu)SIMD流水態(tài)、MIMD態(tài)和分布式流寄存器文件的設(shè)計實現(xiàn)。本文首先分析了SIMD執(zhí)行模式對流體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域擴展的限制,然后針對于流應(yīng)用中流呈現(xiàn)出的多態(tài)性,提出了多態(tài)流體系結(jié)構(gòu),擴展了經(jīng)典流體系結(jié)構(gòu)中單一的SIMD執(zhí)行模式,引入了SIMD流水態(tài)和MIMD態(tài),設(shè)計了相應(yīng)的分布式流寄存器文件,并研究了多態(tài)流體系結(jié)構(gòu)編程接口等問題。實驗表明,多態(tài)流體系結(jié)構(gòu)不僅兼容了經(jīng)典流體系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行模式,而且能更好滿足新型流應(yīng)用的需求。 4.提出了系統(tǒng)虛擬化仿真技術(shù),設(shè)計并實現(xiàn)了MASA流體系結(jié)構(gòu)虛擬仿真平臺。本文提出了系統(tǒng)虛擬化仿真模型,包括虛擬計算頁仿真模型、存儲頁旋轉(zhuǎn)模型以及簇內(nèi)功能配置模型,并提出了虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計方法。本文構(gòu)建并分析了MASA流體系結(jié)構(gòu)虛擬仿真平臺,實驗表明,系統(tǒng)虛擬化仿真模型能有效的降低流處理器仿真系統(tǒng)對FPGA資源的需求,且其帶來的仿真時間增量是可接受的。另外,本文進一步擴展了系統(tǒng)虛擬化仿真模型,提出了適用于SIMD體系結(jié)構(gòu)的多頻時鐘耦合虛擬仿真技術(shù)和對稱多核體系結(jié)構(gòu)虛擬仿真模型。實驗表明,系統(tǒng)虛擬化仿真技術(shù)不僅適用于流體系結(jié)構(gòu),而且能在SIMD、對稱多核等對稱體系結(jié)構(gòu)仿真中有效的減少仿真系統(tǒng)資源消耗,增大可仿真系統(tǒng)的規(guī)模。
【圖文】：

（d）二維相關(guān)矩陣：流場 （e） 高速圖像變換與目標識別 （f）生物計算：分子動力學圖 1.1 計算密集型應(yīng)用領(lǐng)域大量的數(shù)據(jù)級并行。應(yīng)用程序中數(shù)據(jù)處理過程中相互間的依賴度很低，且通常核心程序需要在大量的數(shù)據(jù)集合上執(zhí)行相同的操作，這使得大量的數(shù)據(jù)可以被同時處理。如流體力學中解恒定流場的偏微分方程時，各個通量可以并行處理，每個通量的各個節(jié)點數(shù)據(jù)也可以被并行處理。另外，在媒體應(yīng)用中，存在大量 8bit、16bit 等低精度類型的數(shù)據(jù)，為了節(jié)省硬件開銷，多個低精度的數(shù)據(jù)通常被合成一個高精度的數(shù)據(jù)同時處理，這種子字并行的方式[10]也成為數(shù)據(jù)級并行的另一種體現(xiàn)。數(shù)據(jù)級并行要求處理器具有高效的開發(fā)數(shù)據(jù)級并行性的硬件機制。生產(chǎn)者-消費者局域性。數(shù)據(jù)訪問具有典型的流式特征，即一個計算核心產(chǎn)生的運算結(jié)果將作為后續(xù)核心的輸入數(shù)據(jù)集。與傳統(tǒng)應(yīng)用中存在的時間和空間局域性不同，生產(chǎn)者-消費者數(shù)據(jù)局域性不符合 LRU (Least RecentlyUsed)規(guī)則，因此，Cache 不能有效的利用該數(shù)據(jù)訪問特性，甚至可能阻礙系統(tǒng)性能的提升[11]。生產(chǎn)者-消費者局域性要求處理器具有合理的存儲層

國防科學技術(shù)大學研究生院博士學位論文長。隨著芯片上可集成的晶體管數(shù)目呈指數(shù)級增長，截至目前，半導體工備單片集成數(shù)十億支晶體管的能力[14]，例如 Intel 公司推出的下一代 Itanium器(Tukwila)將集成 20 億支晶體管[15]。并且根據(jù)國際半導體技術(shù)路線機構(gòu)(ITernational Technology Roadmap for Semiconductors)[16]2009 年預(yù)測，2016 年以處理器芯片集成的晶體管數(shù)目將接近百億，如圖 1.2[16]所示。半導體工藝的動微處理器進入十億支晶體管體系結(jié)構(gòu)(BTAs: Billion-Transistor Architectur代，為系統(tǒng)設(shè)計者提供了大量的硬件資源用于構(gòu)建更高性能處理芯片，也處理器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)。日益增加的晶體管資源給處理器提供了廣闊的發(fā)展空間，，但隨著處理器斷增大，芯片設(shè)計和驗證將變得日益復(fù)雜，面對這些問題，未來的處理器構(gòu)將更偏向于結(jié)構(gòu)上的層次化和功能上的模塊化與分布化的設(shè)計理念[14]。因稱多核、眾核以及 clustered 等體系結(jié)構(gòu)被廣泛關(guān)注。它們采用資源復(fù)制的方僅能更有效的利用芯片上的晶體管資源，而且其規(guī)�？筛鶕�(jù)應(yīng)用的性能需擴展，更有利于提高處理器性能。
【學位授予單位】：國防科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：TP332

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 賴明澈;王志英;戴葵;高蕾;;基于代碼特征分析的TTA指令壓縮技術(shù)與解壓部件實現(xiàn)[J];電子學報;2008年11期

2 張春元;文梅;伍楠;荀長慶;吳偉;;二維拉格朗日和歐拉結(jié)合法在流處理器MASA上的實現(xiàn)與評測[J];國防科技大學學報;2006年04期

3 王世好,王歆民,劉明業(yè);嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同驗證中軟件驗證方法[J];計算機研究與發(fā)展;2005年03期

4 李勇;王志英;趙學秘;岳虹;;配置流驅(qū)動計算體系結(jié)構(gòu)指導下的ASIP設(shè)計[J];計算機研究與發(fā)展;2007年04期

5 何義;任巨;文梅;楊乾明;伍楠;張春元;郭敏;;適用于SIMD體系結(jié)構(gòu)的FPGA分頁仿真模型研究[J];計算機研究與發(fā)展;2011年01期

6 何義;任巨;楊乾明;管茂林;文梅;張春元;;可配置流處理器核心級指令設(shè)計及相關(guān)編譯技術(shù)研究[J];計算機工程與科學;2009年11期

7 劉必慰;陳書明;汪東;;先進微處理器體系結(jié)構(gòu)及其發(fā)展趨勢[J];計算機應(yīng)用研究;2007年03期

相關(guān)博士學位論文 前4條

1 文梅;流體系結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國防科學技術(shù)大學;2006年

2 晏小波;FT64流處理技術(shù)：體系結(jié)構(gòu)、編程語言、編譯技術(shù)及編程方法[D];國防科學技術(shù)大學;2007年

3 鄧宇;基于圖著色的存儲層次優(yōu)化技術(shù)研究[D];國防科學技術(shù)大學;2007年

4 伍楠;高效能流體系結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國防科學技術(shù)大學;2008年

相關(guān)碩士學位論文 前1條

1 楊乾明;多核流體系結(jié)構(gòu)模擬器研究與實現(xiàn)[D];國防科學技術(shù)大學;2008年

本文編號：2708532