魂芯DSP编译设计与优化

【摘要】：近年来,随着国家自主设计芯片的能力的增强,涌现了一批成熟的产品级处理器芯片,主要有中科院计算所研制的龙芯、江南计算所研制的申威、国防科大研制的银河飞腾、北大众志、苏州国芯、杭州中天、华东电子工程研究所的魂芯等。为了突破市场,围绕自主芯片构建完善的“硬件平台-基础软件-应用”的生态系统成为研发工作的重要任务。其中,编译系统在该生态系统中占据至关重要的地位。论文以基于自主设计的魂芯DSP处理器构建优化编译器作为研究课题,主要研究工作摘要如下。(1)论文综合对比主流开源编译基础设施Open64、GCC、LLVM的重定向机制、优化技术,总结了基于开源编译基础设施进行编译开发的选型标准,并阐述了移植开源基础设施到魂芯DSP硬件平台的关键技术。(2)针对魂芯DSP分块内存的特点,创新地提出对程序中的存储访问构建关于变量的冲突图,针对分块内存进行存储块分配,优化数据在分块内存的分布,使得编译器生成的代码可以最大程度地挖掘程序中数据访问的并行性；考虑了分块内存、传参规则、向量化指令以及指令本身的固有特性等多个因素设计了面向数据并行的优化分簇算法,有效地解决了面向高数据并行领域分簇结构处理器的并行性挖掘。(3)魂芯DSP体系结构的主要特性是向量化体系结构,包括访存向量化和计算向量化。提出针对循环采取基于依赖分析的向量化方法以及对未成功向量化的循环基本块和其它基本块采取超字级并行性(SLP)技术相结合的向量化框架。(4)针对魂芯DSP分簇结构、支持SIMD、VLIW的体系结构特点研究模调度框架的实现方法。介绍了零开销循环识别和转换方法；论述了分簇结构、支持SIMD、VLIW体系结构的机器资源描述方法；研究了模调度与循环展开的关系;提出了模变量扩展的算法框架；描述了基于推测执行的代码生成模式。(5)针对魂芯DSP先进的谓词机制,提出了高效的编译实现框架。对比分析了魂芯DSP两种谓词形式,给出其各自的优势所在以及各自的适用范围。深入研究了两种谓词形式的特性以及编译支持方法。创新地提出基于循环展开的分簇结构部分谓词实现框架。(6)针对数字信号领域典型的FFT算法,研究其在魂芯DSP体系结构下的优化技术。创新地提出了基于部分逆序、面向高数据并行的FFT优化算法框架。