同时多线程处理器性能与功耗改进的研究

摘要

同时多线程处理器(SMT)允许同时从多个线程取指令执行,可以使线程间的线程级并行性以及线程内的指令级的并行性得到了充分的挖掘。在减少指令槽的水平浪费的同时,也减少了垂直浪费,从而同时多线程处理器大大地提高了处理器的指令吞吐率。
　　 同时多线程的执行产生了较传统单线程处理器更多的功耗,但具体的每个线程占总体功耗的比例不尽相同。本论文针对SMT的研究,提出了基于线程级功耗的评估方法以及相对应的取指调度策略。该策略可以在系统运行的过程中,动态地统计出各线程对各部件的详细功耗情况,每个周期都对各线程所产生的功耗进行衡量排序。在下一周期进行取指时,处理器根据各线程的功耗大小进行动态取指。从而,在兼顾系统性能的基础上,尽可能地减少系统运行中的峰值功耗,减少系统运行过程中因局部功耗过大而导致“走停”现象的产生。与传统的ICOUNT取指策略相比较,通过实验结果表明:每周期峰值功耗平均降低4.87％,每周期均值功耗可以降低约2.3％。在最好的情况下,峰值功耗可以降低约60％,能够降低系统在运行过程中某一周期功耗过大,或某一段时间功耗过大,导致处理器出现“走停”现象发生的可能性。
　　 另外,本文还将DIP[21]Cache替换策略思想在SMT上实现,通过对原有的Cache结构的改变,运用新的替换算法,验证SMT的性能变化情况。与传统的LRU替换算法相比较,实验结果表明:在单线程情况下,部分线程的性能可以得到一定提高,其中art负载程序可以提高近25％,但是随着负载数的不断增加,由于资源竞争程度的不断增加,该算法造成的Cache失效率会不断增大。同时,我们也从实验观察得知,采样组是私有还是共享也对系统性能造成一定的影响,当采用私有采样组时,整体采样组数增加,系统性能更接近ICOUMT的性能。但整体性能没有在CMP体系下提高的性能明显。

目录

文摘

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图表目录

第一章 绪论

1.1 同时多线程体系结构

1.1.1 原理与模拟结构

1.1.2 商业的同时多线程处理器

1.1.3 同时多线程处理器的关键技术

1.2 WATTCH功耗模型

1.3 研究目标及内容

1.4 论文实验方法

1.4.1 M-Sim模拟器

1.4.2 Benchmark测试程序

1.5 本论所作贡献

1.6 本论组织结构

第二章 基于线程级功耗取指调度策略

2.1 相关工作

2.1.1 ICOUNT取指策略

2.1.2 IPCBFP取指策略

2.1.3 其他取指策略

2.1.4 有关功耗问题的研究

2.2 M-Sim模拟器中功耗的计算方法

2.3 基于线程级功耗的评估方法

2.3.1 统计各线程对各部件的访问次数

2.3.2 各部件各线程的功耗计算方法

2.3.3 不同取指策略对各线程的影响

2.4 基于线程级功耗的取指调度策略

2.4.1 各线程功耗大小的排序

2.4.2 基于线程级功耗取指策略对系统的影响

2.4.3 比重参数的调整

2.5 小结

第三章 DIP算法在SMT中实现

3.1 Cache基本结构

3.2 相关工作

3.2.1 常用的Cache替换算法

3.2.2 DIP替换算法

3.2.3 TADIP算法

3.3 DIP算法在SMT中实现方法

3.3.1 私有采样组的分配算法

3.3.2 共享采样组的分配算法

3.3.3 PSEL值的设定

3.4 实验方法以及实验结果

第四章 总结与展望

4.1 论文总结

4.2 后续的研究工作

参考文献

致谢