【摘要】： 面對(duì)日益復(fù)雜的設(shè)計(jì)和有限的設(shè)計(jì)時(shí)間,如何有效地進(jìn)行性能分析和優(yōu)化,是擺在每一個(gè)處理器設(shè)計(jì)者面前的問題。本文緊密結(jié)合一個(gè)高性能微處理器(龍芯2號(hào)[HZL05])的設(shè)計(jì),從性能分析環(huán)境設(shè)計(jì)和性能分析方法著手,系統(tǒng)地研究了微處理器性能分析和優(yōu)化問題,并根據(jù)性能分析結(jié)果提出了若干龍芯2號(hào)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。 性能分析環(huán)境的核心是目標(biāo)處理器和工作負(fù)載的模型,這些模型的準(zhǔn)確性、速度和靈活性是其關(guān)鍵指標(biāo)。處理器的RTL模型是一種準(zhǔn)確的模型,但是它的速度和靈活性不能滿足性能分析的要求。本文提出了一種使用高級(jí)語(yǔ)言對(duì)硬件建模的方法,并使用它建立了龍芯2號(hào)的信號(hào)級(jí)模擬器ICT-godson。ICT-godson和RTL的邏輯行為相同,但速度可以比RTL仿真高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。 ICT-godson部分解決了運(yùn)行速度的問題,但由于它還是模擬了所有硬件信號(hào)和行為,其速度和靈活性依然受到比較大的限制。為此本文進(jìn)一步建立了一種更高層的模擬器Sim-godson。Sim-godson是一個(gè)用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的龍芯2號(hào)處理器性能模型。執(zhí)行驅(qū)動(dòng)的組織方式、高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法以及模塊化實(shí)現(xiàn)保證了Sim-godson的速度和靈活性。Sim-godson每秒能夠模擬約500K個(gè)處理器周期,和目前公開的最快的詳細(xì)模擬器相當(dāng)。Sim-godson支持大程序快速評(píng)估,能夠在一個(gè)小時(shí)內(nèi)準(zhǔn)確地給出SPEC CPU2000程序的性能數(shù)據(jù)。Sim-godson同時(shí)支持用戶級(jí)模擬和全系統(tǒng)模擬,既能滿足不同場(chǎng)合的要求,還能方便地隔離操作系統(tǒng)和I/O對(duì)程序性能的影響。本文還為Sim-godson建立了一個(gè)完整的驗(yàn)證流程,它能夠有效地控制模擬器的誤差。 為了充分滿足不同設(shè)計(jì)階段和設(shè)計(jì)目的的需求,性能分析環(huán)境應(yīng)該由一組工具組成。除了ICT-godson和Sim-godson兩種高級(jí)語(yǔ)言性能模型,本文建立的性能分析環(huán)境還包括RTL和FPGA仿真環(huán)境以及一些輔助的軟件工具。RTL和FPGA主要用于驗(yàn)證高級(jí)語(yǔ)言模型,各種輔助工具可以用于工作負(fù)載的分析和優(yōu)化。 本文為ICT-godson和Sim-godson模擬器實(shí)現(xiàn)了多角度的數(shù)據(jù)收集。這種方法能夠從各個(gè)側(cè)面體現(xiàn)目標(biāo)處理器的行為,幫助設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)性能瓶頸。為了更深入地理解高性能微處理器的行為,本文進(jìn)一步考察了一些瓶頸分析方法。這些方法能夠用來(lái)系統(tǒng)地確定處理器內(nèi)部各類瓶頸因素的重要程度以及它們之間的關(guān)系。 最后,本文詳細(xì)地討論了龍芯2號(hào)性能分析和優(yōu)化工作。我們展示了多角度的數(shù)據(jù)收集方法的實(shí)際應(yīng)用,分析了龍芯2號(hào)的瓶頸,并討論了基于性能分析的一些優(yōu)化,包括Load猜測(cè)優(yōu)化、存儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化等。本文還討論了對(duì)SPEC CPU2000工作負(fù)載的分析,以及編譯器和操作系統(tǒng)對(duì)性能的影響。實(shí)踐證明,本文所建立的性能分析環(huán)境和分析方法能很好地滿足實(shí)際高性能微處理器性能分析和優(yōu)化的需求。
【圖文】：

第三章 ICT-godson 模擬器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化記錄到文件中。ICT-godson 實(shí)現(xiàn)了檢查點(diǎn)（checkpoint）支持，它能夠把某個(gè)時(shí)刻的處理器內(nèi)部狀態(tài)記錄到文件，利用該文件以后可以迅速恢復(fù)到該時(shí)刻的狀態(tài)。檢查點(diǎn)在定位錯(cuò)誤的過(guò)程中非常有用。例如，如果模擬器運(yùn)行 10 億拍時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，我們可以每個(gè) 1 億拍保存一個(gè)檢查點(diǎn)，然后從離錯(cuò)誤現(xiàn)象最近的檢查點(diǎn)開始，尋找錯(cuò)誤的根源。檢查點(diǎn)也能用于節(jié)省性能分析的時(shí)間，例如，我們可以把操作系統(tǒng)完成啟動(dòng)時(shí)的狀態(tài)保存為一個(gè)檢查點(diǎn)，并利用這個(gè)檢查點(diǎn)節(jié)省模擬操作系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)間。3.2.3 可視化我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于 TCL/TK 的可視化界面，用于直觀地觀察處理器內(nèi)部狀態(tài)變化，如圖 3.1 所示。這種方式能有助于理解處理器的工作原理，也可以用于分析一些典型代碼段的行為。

圖 6.1 PB 設(shè)計(jì)矩陣（X=8）6.3 交互代價(jià)分析Fields 等人[FBH04]提出使用交互代價(jià)（interaction costs, icost）來(lái)分析微體系結(jié)構(gòu)瓶頸。在這種方法里，一個(gè)性能瓶頸是一個(gè)影響執(zhí)行時(shí)間的事件集合。這里的事件包括前面所說(shuō)的處理器參數(shù)，也可以指一些具體事件，例如特定的一個(gè) CACHE 不命中。一個(gè)事件的代價(jià)（cost）定義為將該事件理想化（對(duì)一個(gè) CACHE 不命中來(lái)說(shuō)，理想化就是把它換為命中；對(duì)指令窗口大小來(lái)說(shuō)，則是把指令窗口設(shè)為無(wú)限大）之后能夠獲得的加速。設(shè) t 為原執(zhí)行時(shí)間，t（e）為將事件 e 理想化之后的執(zhí)行時(shí)間，則Cost（e） = t  t（e）.這個(gè)定義可以自然地?cái)U(kuò)展到一個(gè)事件集合的代價(jià)。Cost 是一個(gè)很有用的值，，比如給出一個(gè)特定 load 指令所有動(dòng)態(tài)不命中的代價(jià)，可以用來(lái)決定對(duì)它預(yù)取是否值得；對(duì)于處理器設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，它可以指出優(yōu)化某個(gè)部件有多大的潛力。只了解單個(gè)事件的代價(jià)是不夠的，因?yàn)樗鼪]有體現(xiàn)事件之間的交互影響。正如 6.1
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院（計(jì)算技術(shù)研究所）
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2005
【分類號(hào)】：TP332

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本文編號(hào)：2658650