超标量乱序处理器稳定状态吞吐率建模

摘要

随着处理器技术的飞速发展,处理器的性能评估逐渐成为学术界和工业界共同关注的焦点.在超标量乱序处理器的性能评估中,稳态性能部分大约占处理器总性能的20%.当前学术界普遍使用基于指令窗口曲线(Instruction Window Curve,IW曲线)的稳定状态吞吐率模型评估处理器的稳态性能,但是这一模型缺乏对指令依赖关系和指令类型的综合考虑,并且模型中存在一个不合理的假设:指令窗口大小等于重排序缓冲区(Reorder Buffer,ROB)大小.本文旨在综合考虑指令依赖关系和指令类型两个维度,建立基于神经网络的稳定状态吞吐率模型,用于快速准确地评估处理器的稳态性能. 本文的工作主要包含两个方面:第一,设计实验分析影响稳定状态吞吐率的因素并评估基于IW曲线的稳态吞吐率模型.首先,针对指令依赖关系、指令混合比、流水线宽度以及功能单元数目,分别设计相应的测试程序进行验证、分析;然后,在gem5仿真平台上,复现基于IW曲线的稳态吞吐率模型;最后,从平均指令逗留时间和指令窗口大小两个方面详细分析基于IW曲线的模型存在的不足.第二,建立基于神经网络的稳态吞吐率模型.首先,从指令依赖关系和指令类型出发,在前人建立的关键路径长度理论的基础上,提出一个新的特征维度:依赖链路延迟分布;然后,分析依赖链路延迟分布和稳态吞吐率值的关系并建立基于神经网络的稳定状态吞吐率模型;最后,考虑流水线微架构参数对稳态吞吐率的影响,包括流水线宽度,流水线后端功能单元数目等参数,修正和完善稳态吞吐率模型. 本文建立的模型在4种不同的ROB大小配置下,分别采用11种不同的应用对模型的精度进行验证.与gem5仿真结果相比,模型自预测的平均精度大约为94.4%,模型跨应用预测的平均精度在91%左右;与基于IW曲线的稳定状态吞吐率模型相比,本文所建立的模型平均精度提高超过10%;在时间开销方面,模型和gem5仿真器相比,平均可以节省71.42%的时间.

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第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1研究背景

1.1.2意义

1.2国内外研究现状

1.3论文主要内容与设计指标

1.3.1研究内容

1.3.2设计指标

1.4论文组织结构

第二章 CPU流水线与稳态吞吐率建模概述

2.1 CPU流水线简介

2.1.1CPU流水线结构及设计原理

2.1.2超标量乱序处理器技术介绍

2.2 CPI Stack理论和稳态吞吐率

2.2.1基于CPI Stack理论的处理器性能分析方法

2.2.2稳态吞吐率简介

2.3现有的稳态吞吐率建模方法

2.3.1基于流水线宽度的模型

2.3.2指令窗口曲线模型

2.3.3基于IW曲线的稳态吞吐率模型

2.4本章小结

第三章 基于IW曲线的稳态吞吐率模型分析

3.1稳态吞吐率影响因素分析

3.1.1指令依赖关系和指令混合比

3.1.2流水线宽度和功能单元数目

3.2基于IW曲线的稳态吞吐率模型验证

3.2.1验证方案设计

3.2.2模型实验结果

3.3基于IW曲线的稳态吞吐率模型误差分析

3.3.1指令在窗口中的平均逗留时间误差分析

3.3.2指令窗口大小误差分析

3.4 稳态吞吐率建模的难点分析

3.5本章小结

第四章 基于神经网络的稳态吞吐率建模

4.1模型方案设计

4.1.1依赖链路延迟

4.1.2神经网络的引入

4.1.3稳态吞吐率建模方案设计

4.2模型输入输出数据获取

4.2.1gem5简介

4.2.2依赖链路延迟分布的获取

4.2.3稳态吞吐率的获取

4.3模型搭建及调试

4.3.1模型搭建实现

4.3.2模型参数调试

4.3.3考虑微架构的模型修正

4.4本章小结

第五章 实验结果分析

5.1实验环境

5.1.1gem5详细配置

5.1.2Matlab详细配置

5.2基于神经网络的稳态吞吐率模型精度验证

5.2.1模型自预测结果

5.2.2模型跨应用预测结果

5.2.3模型误差对比

5.3模型预测时间开销对比分析

5.4指标对比

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

作者简介