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《国防科学技术大学》 2008年
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同步数据触发多核处理器体系结构关键技术研究

赖明澈  
【摘要】: 随着VLSI技术的迅猛发展与应用需求的不断提高,单纯依靠提升主频已经很难进一步提高处理器性能,采用以多核处理器为代表的先进体系结构已经逐渐成为提高处理器性能的主要途径。受当前集成电路工艺条件的推动,片内多核处理器结构已初现端倪,但尚有一系列科学技术问题亟待解决,主要包括多核并行体系结构问题、多核互连通信问题、多核多级存储问题等。针对多核处理器体系结构面临的核心理论与设计技术问题进行研究,可为未来超高性能多核处理器芯片的设计与实现提供坚实的理论和技术基础,具有重要理论意义和应用价值。 本文针对超高性能多核处理器,主要深入研究了一种同步数据触发(Synchron- ous Data Triggered Architecture,SDTA)多核体系结构,它包括了大量高性能SDTA计算内核,每个内核具有结构简单、计算资源利用率高、计算能力强、可扩展性好等优势。结合同步数据触发多核处理器特点,本文重点对SDTA处理单元设计关键技术进行研究,采用资源优化途径来提高执行性能并降低其代价开销,同时利用指令压缩技术来解决其代码体积问题。继而,本文还对SDTA多核片内互连通信结构进行建模,研究并实现了具有高带宽、低延迟、低代价特点的多核互连通信系统。取得的主要研究成果如下: 1.提出了一种同步数据触发多核体系结构,它包括SDTA单元计算内核、SDTA单元存储系统、片上通信互连结构、多核同步机制等部分。单个处理单元结构简单,设计灵活,可扩展性强,有效支持SIMD和MIMD,允许开发多个层次上的并行性。另外,设计了包括指令Cache、局部存储器、DMA部件及二级Cache的多核存储系统,采用了片上网络基本通信构架,支持与SPARC体系结构兼容的同步机制。 2.提出了一种代价解析模型用来评价处理单元的面积与功耗,满足精度要求的同时具有较好灵活性与较高工作效率。还提出了适应于SDTA处理单元的硬件资源优化方法,在建立软硬件设计工具链的基础之上,开展启发式搜索算法指导的计算内核局部优化与解析式处理单元全局优化等过程,具有优化效率高、效果好等特点。 3.提出了一种模板式垂直字典压缩技术,用于解决SDTA体系结构中的代码稀疏问题,它强调代码压缩比、解压实时性与资源开销三个方面的因素。还继续提出了分流并行解压硬件模型,并修改了软件工具链。该技术以较小执行周期为代价,极大减少了代码体积,降低了芯片面积与功耗开销。 4.提出了面向片上互连网络的解析式性能分析方法。建立了基于M/G/1/N排队系统的片上网络数学模型,分析精度好、效率高,有助于片上网络结构设计及应用程序拓扑映射优化。为解决单通道结构所暴露的性能瓶颈,还提出了两种改进的多通道结构数学模型,借助各项性能指标,最终指导完成了SDTA多核片上互连网络的微体系结构设计与实现。 5.提出了一种基于拥塞缓解的动态虚拟通道结构,用于解决片上路由器缓冲利用率低、阻塞现象频繁等缺陷。改进了典型路由器结构设计,完成了动态多通道路由器的VLSI实现。实验表明,它能自适应于网络流量特征动态调整虚拟通道组织方式,改善网络性能,同时,还采用了链表方式来组织虚拟通道共享缓冲,具有较小代价开销,通过提高缓冲利用率,节省了大量芯片面积与功耗。 实验结果表明,面向多媒体信号处理领域,经硬件资源优化后的SDTA处理单元具有硬件代价小、执行性能高等特点,其内核性能与TI-C64 DSP相当,整个处理单元对多媒体应用具有显著加速效果。另外,SDTA片上互连网络具有高带宽、低延迟等特点,尤其是,提出的动态虚拟通道技术能有效降低代价开销,继续改善网络性能。相关研究成果为SDTA多核处理器提供了较好的解决方案和理论分析基础,能够直接适用今后的多核处理器芯片的设计与实现。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TP332

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 李静梅;多核处理器的设计技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 石伟;基于数据触发的多核异步微处理器关键技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
3 黄立波;片上集群体系结构关键技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
4 侯宁;嵌入式多核处理器设计与实现关键技术研究[D];合肥工业大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 陶旭东;用于先进PLC的异构多核MPU研究与设计[D];沈阳理工大学;2011年
2 柯尊尧;IPv4及IPv6环境下DHCP Server租约管理方案的设计与实现[D];华中科技大学;2011年
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前9条
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【共引文献】
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10 岳虹;嵌入式异构多核处理器设计与实现关键技术研究[D];国防科学技术大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 金龙琴;基于GSA算法的NoC映射研究[D];武汉理工大学;2011年
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4 谭星亮;面向图像处理的可配置处理器设计与实现[D];天津大学;2010年
5 刘彬彬;基于Booth算法的低功耗乘法器设计[D];宁波大学;2011年
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8 周发旺;面向椭圆曲线密码算法的可配置处理器研究与设计[D];天津大学;2012年
9 桑晓丹;基于2D-mesh拓扑分类的NoC映射技术研究[D];解放军信息工程大学;2011年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 俞颖,周磊,闵昊;采用异步电路的低功耗微控制器的VLSI设计与实现[J];半导体学报;2001年10期
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9 杨际祥;谭国真;王荣生;;多核软件的几个关键问题及其研究进展[J];电子学报;2010年09期
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李静梅;多核处理器的设计技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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10 王嘉捷;多重循环程序内存访问越界增量检测方法[D];中国科学技术大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 景涛;多核环境下基于L2 Cache的目录一致性协议的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 刘文佳;多核处理器Cache一致性研究与设计[D];哈尔滨工程大学;2010年
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10 李静梅;基于MIPS处理器的分支预测机制的研究与设计[D];哈尔滨工程大学;2007年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
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中国博士学位论文全文数据库 前3条
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中国硕士学位论文全文数据库 前8条
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5 杨凯凯;面向可重构众核处理器的子网划分与广播机制研究[D];上海交通大学;2013年
6 陈鹏;图像Sobel处理的FPGA多核矩阵实现[D];沈阳理工大学;2013年
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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【相似文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前8条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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2 杨川;MPCore多核处理器并行计算方法的研究与实现[D];西南交通大学;2014年
3 朱鸿;多核环境下的Hash join算法设计与实现[D];黑龙江大学;2014年
4 张国晶;基于多核分布式技术的路由器软件系统的设计与实现[D];西安电子科技大学;2014年
5 马恒航;基于多核处理器的路由器驱动系统的设计与实现[D];西安电子科技大学;2014年
6 牛龙;基于多核处理器的雷达信号实时处理系统研究[D];西安电子科技大学;2014年
7 张荫芾;基于多核处理器架构的嵌入式微内核操作系统的研究与设计[D];上海交通大学;2009年
8 陈龚;基于SOPC技术的多核处理器的设计与实现[D];华东师范大学;2010年
9 宋志军;基于多核(多处理单元)的防火墙架构研究与关键技术实现[D];电子科技大学;2009年
10 黄冕;X处理器存储一致性模型的研究与实现[D];国防科学技术大学;2008年
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