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面向动态二进制翻译的动态优化和微处理器体系结构支撑技术研究

唐遇星  
【摘要】:经过三十多年的发展,微处理器已经进入到社会生产和日常生活的各个领域,并取得了巨大的成功。微处理器产业的成熟,也使得大部分市场应用和软件投资集中到具有垄断性地位的几种体系结构上。为满足永无止境的性能需求,必须不断推出更新、更快、更有效的处理器。但是为了保护原有的大量投资和研究成果,新处理器往往需要保证对原有结构和应用的二进制兼容性。如今,二进制代码兼容已经成为微处理器是否能在市场上存活的关键问题,也成为新体系结构技术应用的障碍。 动态二进制翻译和优化与微体系结构设计相结合,为微处理器性能继续提升,采用创新的体系结构技术提供了新的思路和方法。将与兼容性相关的复杂逻辑交给动态二进制翻译软件,可以使底层硬件更加简洁并能极大的扩展设计空间。动态优化还可以利用程序运行时特有的优化机会,进一步提高性能。这种处理器设计模式可以降低对制造工艺的要求,并通过采用创新设计避开处理器硬件设计中的众多专利障碍,特别适合我国国情。 本文针对动态二进制翻译处理器中的动态优化技术和微处理器体系结构支撑技术展开深入研究。基于可扩展的处理器模型,提出了低开销的快速热点识别技术;系统分析并研究了动态优化的特性,提出了新的优化方法;并根据开销和性能分析提出了动态多级优化框架,掌握了以动态二进制翻译和动态优化为基础进行微处理器设计的关键技术。主要的工作与创新点包括: 1.全面深入地研究了国际上动态二进制翻译和动态优化技术的研究现状与热点方向。特别针对几个对二进制翻译处理器研究有重要影响的研究项目,总结并分析了它们的特点与不足。 2.结合我国发展处理器产业的实际情况,提出基于动态二进制翻译的可扩展体系结构框架Transtar-VISA。以一个全新基于VLIW结构的Transtar-Core为例,展示部分体系结构迁移,从IA-32迁移到新体系结构,以及同时支持多个ISA平台时Transtar-VISA的有效性和可扩展性。 3.深入研究了动态二进制翻译和优化中热点代码发掘问题,提出了适合翻译和优化使用,基于硬件实现的profiling方案-CSP。CSP不会影响用户程序的执行效率,以适当的硬件开销获得了非常精确的热点路径信息。CSP还可以根据翻译和优化的需要调整对执行路径的监测。 4.深入讨论了动态优化的执行环境、调度单位和优化时机等内容,并分析了常用的优化方法。针对硬件难以预测的分支指令,提出了新的动态隐式断言执行优化技术RIMP。 5.为了平衡优化的开销和性能收益,在分析论证的基础上给出了多级优化调度框架FMO。分析了多级动态优化算法下各个阈值的控制原理,并指出了有效优化的关


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