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多路径Trace处理器

杜贵然  
【摘要】: 据估计,未来半导体技术仍将保持持续稳定的发展势头,可以预期未来的芯片上将集成巨大数目的晶体管。当前,如何利用这些晶体管实现更高性能的处理器是体系结构研究的热点,也是面临的挑战。 前瞻执行是提高处理器性能的一条途径。本文分析高性能处理器大量应用前瞻技术带来的问题。特别是深度前瞻技术在长流水线机器中的应用,使系统复杂性上升,前瞻错误的开销增大。针对前瞻技术的不足,本课题提出并研究了“多路径Trace处理器”(MPTP)模型。 MPTP模型对低可预测性分支采取分支两个方向同时执行,减少前瞻错误的开销;对高可预测性分支采取单路径前瞻执行,实现大指令窗口。MPTP处理器以Trace处理器为基础,重复设置多个超标量处理单元,把指令流的多条Trace发送到处理单元同时执行。 本文分析了MPTP模型的设计思想,研究了MPTP的执行机制,给出了MPTP的结构设计,并通过模拟实验验证MPTP的关键技术。总结起来,MPTP的关键技术有: 1.基于分支可预测性的多路径执行——MPEBP机制。MPEBP评估分支的可预测性,然后根据评估结果决定分支的执行模式。置信度阀值是评估分支可预测性的关键,不同的阀值影响路径的派生和资源的使用。 2.基于分支目标提取的Trace预构——TPBTP机制。TPBTP机制从直接分支指令中提取目标地址,弥补分支预测和分支目标缓存的不足,加速指令读取,实现Trace预构。 3.多路径执行的控制机制。多路径的执行控制将路径中的分支方向编码为路径标识,辨别不同Trace之间的路径隶属关系,以此为基础,实施多条Trace执行时的数据和控制信息的正确传播。 4.Trace的执行控制机制。Trace的执行开发程序的控制无关性,粗/细两种粒度的控制无关性相结合实现指令窗口的层次式管理。指令窗口的层次式管理降低了复杂性。 本文采用处理器体系结构研究广泛认可的SimpleScalar模拟器验证MPTP的设计思想。本文根据MPTP模型对模拟器进行了必要的扩充。模拟器以SPECint95程序进行基准测试。 模拟实验表明,在资源约束的条件下,MPEBP机制对错误预测的分支有较高的覆盖率,TPBTP机制有效提高了指令的读取速度,MPTP处理器的整体性能有显著的提高。总的来说,MPTP处理器模型是实现宽指令发射的一种有潜力的模型。 本论文的主要研究成果:独创性地提出并研究了多路径Trace处理器——MPTP的结构和实现机制。


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