基于编译的寄存器分配性能与功耗优化策略

论文摘要

近年来,处理器的功耗不但严重阻碍微处理器性能的提高和处理器设计的发展,而且限制了移动处理设备的使用时间。同时,随着计算机的普及,计算机消耗的电能也越来越巨大。因此,低功耗研究已成为近来受到热切关注的领域。人们在硬件和软件设计中的不同层次致力于在影响性能很小的前提下降低功耗。从软件方面降低系统的功耗可以很好地弥补仅从硬件方面降低功耗的不足,使用编译器动态调整硬件的执行可以很好地达到降低功耗的目的,例如编译指导的动态电压缩放(Dynamic Voltage Scaling)和功能部件关闭(Turning Off unused System Unit)。同时,现代体系结构一些原有的编译优化技术如寄存器分配优化等,在优化性能时减少执行的指令数,从而间接达到降低功耗的目的。例如在Itanium中,对栈寄存器分配的优化,可以减少RSE(Register Stack Engine)的溢出和填入操作,从而减少了处理器的等待时间,同时,降低了指令执行带来的功耗。从编译器的角度实现低功耗优化需要在性能改进、功耗降低和编译代价之间进行折衷,采用合理的方案实现低功耗优化的目的。本文首先概述了现代编译器中的编译优化技术以及低功耗编译的方向,具体分析了面向指令级优化的编译器IMPACT和TRIMARAN,分析了其中的组成模块,并深入了解其中的寄存器分配机制。然后,详细阐明了寄存器分配策略的演化历程,通过分析和比较基于图着色法的各种改进方案,从实现最优分配的角度,在Chow和Hennessy的寄存器分配方案的基础上提出一种基于直接优先级的寄存器分配策略,更直接、更具体地根据溢出活跃范围段的优先级决定切分。通过在IMPACT上的实现和模拟,在一部分程序上实现了性能的改进,在其它程序上性能的下降,暴露了选择切分范围算法的复杂性,有待改进。本文最后概述了Itanium中的栈寄存器和RSE机制,并详细分析和比较现存的栈寄存器分配优化方案。本文提出一种基于延迟分配的栈寄存器分配策略,为了减少额外代价,采用粗粒度的栈帧调整策略,在调用点处使用alloc指令调整调用者的栈帧大小,并为被调用过程分配部分栈帧,在调用点处从调用者和被调用者两个角度尽量缩减各自的栈帧,从而减少栈帧的溢出。在这种分配架构中,可以同时加入辅助性的寄存器分配优化机制,为活跃范围长的数据尽量分配小索引号的栈寄存器,从而尽量得到紧凑的栈帧架构,以利于栈帧的调整。

论文目录

• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 引发功耗问题
• 1.1.2 低功耗设计的层次
• 1.2 课题主要内容
• 1.3 本文结构
• 第二章 编译层次的低功耗优化技术
• 2.1 编译的基本思想和流程
• 2.1.1 编译器的基本思想和核心技术
• 2.1.2 编译的基本流程
• 2.2 现代编译器中代码优化的先进技术
• 2.3 低功耗编译技术概述
• 2.4 小结
• 第三章 面向现代体系结构的编译框架
• 3.1 IMPACT 编译架构
• 3.1.1 IMPACT 编译框架概述
• 3.1.2 IMPACT 编译框架的中间表示语言
• 3.1.3 IMPACT 的模拟环境
• 3.2 TRIMARAN 编译架构
• 3.2.1 TRIMARAN 编译架构概述
• 3.2.2 TRIMARAN 组成模块
• 3.3 小结
• 第四章 寄存器分配策略及其改进方案
• 4.1 寄存器分配策略
• 4.1.1 线性扫描寄存器分配策略
• 4.1.2 图着色法寄存器分配策略
• 4.2 基于区域的编译技术
• 4.2.1 基于区域编译思想的引入
• 4.2.2 区域构造
• 4.2.3 基于区域的寄存器分配方案
• 4.3 基于直接优先级的寄存器分配策略
• 4.4 实现与验证
• 4.5 小结
• 第五章 Itanium 中栈寄存器分配策略的研究和改进
• 5.1 Itanium 中的栈寄存器分配机制
• 5.2 栈寄存器分配机制的相关研究
• 5.3 基于延迟分配的寄存器栈优化策略
• 5.4 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文
• 参考文献