【摘要】： 由于處理器性能和存儲器性能的巨大差異,導(dǎo)致了“存儲墻”問題的出現(xiàn),使得存儲系統(tǒng)成為系統(tǒng)的瓶頸。傳統(tǒng)計算機體系結(jié)構(gòu)均采用硬件管理的cache來解決存儲墻問題。然而,隨著應(yīng)用和工藝的發(fā)展,Cache逐漸暴露出一些問題。相比之下,軟件管理的片上存儲器以其面積、功耗和訪問時間等方面的優(yōu)勢,被認(rèn)為是解決存儲墻問題的一個有效途徑。目前,軟件管理的片上存儲器已被普遍運用于嵌入式系統(tǒng)、流處理器和圖形處理器中,并被逐漸運用到新型高性能計算機體系結(jié)構(gòu)中。與硬件管理的cache不同,軟件管理的片上存儲器需要由軟件通過數(shù)據(jù)傳輸語句顯式地管理所有片上與片外存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸,決定數(shù)據(jù)進入存儲器的時機和位置。軟件管理的片上存儲器給編譯提出了重要的挑戰(zhàn)。如何在保證程序正確性的基礎(chǔ)上,盡可能提高有限的片上存儲器空間的利用率,盡量避免存儲器碎片;充分捕獲數(shù)據(jù)復(fù)用,優(yōu)化存儲層次間的通信,從而最小化存儲器帶寬需求;開發(fā)計算與訪存并行,有效隱藏存儲器訪問延遲,是提高基于軟件管理片上存儲器的系統(tǒng)上程序性能的關(guān)鍵。本文重點研究了面向軟件管理片上存儲器的編譯優(yōu)化問題。本文的主要工作和創(chuàng)新概述如下: (1)提出了基于置換圖著色的便箋存儲器分配算法�，F(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)中,廣泛地將片上存儲器組織為軟件管理的便箋存儲器(Scratchpad Memory, SPM)。本文深入研究了面向嵌入式應(yīng)用的SPM分配問題,首次發(fā)現(xiàn)了大部分嵌入式應(yīng)用的相干圖(Interference Graph)為置換圖(Permutation Graph),從而能在線性時間內(nèi)獲得最優(yōu)的SPM分配。本文首次提出了一個基于置換圖著色的SPM分配算法。理論分析和實驗表明,基于置換圖著色的SPM分配算法與國際上最新的基于超完美圖(Superperfect Graph)的SPM分配算法相比,流程更簡潔,復(fù)雜度更低,性能更優(yōu)。 (2)提出了基于存儲器著色的流寄存器文件分配框架。流體系結(jié)構(gòu)是一種新興的面向流應(yīng)用的高性能計算機體系結(jié)構(gòu)。流體系結(jié)構(gòu)采用軟件管理的片上存儲器,稱為流寄存器文件(Stream Register File, SRF),作為數(shù)據(jù)的核心存儲部件。SRF是不可旁路的存儲層次,軟件必須保證計算需要的輸入流提前加載到SRF中,并為輸出流分配足夠的SRF空間。優(yōu)良的SRF分配方案還應(yīng)能在避免引入額外的片外存儲器傳輸?shù)那疤嵯?有效地捕獲流應(yīng)用中廣泛存在的生產(chǎn)者消費者局部性,并盡可能地開發(fā)計算與訪存并行。本文提出了一套基于存儲器著色(即存儲器劃分加上圖著色寄存器分配)技術(shù)的SRF分配框架。本文研究的新穎之處在于將開發(fā)重用和并行巧妙地整合到傳統(tǒng)的圖著色寄存器分配框架中。此外,針對應(yīng)用的特點,本文對傳統(tǒng)的圖著色寄存器分配技術(shù)做出了一些改進,如提出了漸增的聯(lián)合技術(shù),寄存器排序技術(shù)。實驗表明基于存儲器著色的SRF分配框架能夠在不引入溢出的前提下,有效地開發(fā)復(fù)用和并行。 (3)提出了基于最佳有向路徑尋找的流寄存器文件分配算法�；诖鎯ζ髦腟RF分配框架能夠有效地開發(fā)復(fù)用和并行。但是,存儲器著色技術(shù)在劃分SRF以及對相干圖進行著色時有一定的缺陷,容易引入SRF空間浪費。本文的另一個研究重點是在相干圖確定的情況下(即操作流相干圖開發(fā)復(fù)用和并行后),如何最小化需要的SRF空間,避免引入存儲碎片。本文首次發(fā)現(xiàn)了大部分的流應(yīng)用的相干圖為可比圖(Comparability Graph),或可以降解為多個可比子圖,從而能夠獲得多項式時間的最優(yōu)SRF分配。本文首次將SRF分配問題建模為最佳有向路徑尋找問題,提出了一個新穎的SRF分配算法。嚴(yán)格的理論分析和大量的實驗表明,我們的算法能獲得最優(yōu)或近似最優(yōu)的SRF分配。相對目前普遍采用的基于First-Fit的啟發(fā)式算法,我們的算法具有更好的性能。 (4)提出了基于層次圖著色的軟件管理多級存儲層次分配算法�，F(xiàn)代的高性能計算機體系結(jié)構(gòu)中,為了更有效地實現(xiàn)計算與訪存的平衡,優(yōu)化訪存帶寬和延遲,越來越多地采用軟件管理的多級存儲層次來替代硬件管理的多級cache存儲層次。傳統(tǒng)的編譯優(yōu)化研究大都面向單一存儲層次,缺乏對存儲層次全局的綜合考慮,對存儲層次間通信等的優(yōu)化不足。而最小化存儲層次間的通信,能大大減少存儲器帶寬需求,是影響性能的一個重要因素。本文擴展了圖著色寄存器分配算法,首次將其運用到多級存儲層次分配上。通過將存儲層次建模為一個帶權(quán)圖,我們的方法可以運用到任何多級軟件管理存儲層次組織上。我們對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)相干圖進行擴展,提出路徑合并和路徑消解技術(shù),有效地減少存儲層次間通信。通過數(shù)據(jù)生存期擴展技術(shù),還能有效地進行計算與訪存并行的開發(fā),從而隱藏存儲訪問延遲。以上的優(yōu)化都跟擴展后的圖著色寄存器分配框架巧妙地整合在一起。實驗表明,我們的算法有良好的性能。
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號】：TP333

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