多核流体系结构模拟器研究与实现

论文摘要

随着密集计算类应用蓬勃兴起和VLSI技术不断发展,并行体系结构研究获得了巨大的应用驱动和基础技术支撑,经典的流体系结构向着多核化的趋势发展,多核流体系结构正成为微处理器体系结构研究关注的前沿焦点之一,学术界和工业界已经设计了一系列经典的多核流体系结构和多核流处理器(原型)。多核流体系结构不但展现出了巨大的计算性能潜力,而且在面积利用率、平均功耗和可编程灵活性上也显示出突出的优势,本文作者认为多核流体系结构代表了体系结构的未来发展方向,值得研究。体系结构的研究离不开模拟器的支持,多核流体系结构作为一种新型的体系结构,采用流模型进行计算,与现有的微处理器体系结构有着很大的不同,现有的模拟器不能支持多核流体系结构的研究,需要开发新的多核流体系结构模拟器,同时,随着系统规模的不断扩大,传统的模拟技术越来越显示出其弊端,需要探究新的模拟技术和方法。在这样的背景下,作者选择了“多核流体系结构模拟器研究与实现”这个课题。本文在深入了解多核流体系结构的基础上,实现了多核流体系结构的时钟精确模拟器Msim。实现的结果表明,Msim模拟器具有良好的扩展性,能够支持多种多核流体系结构的模拟,同时具有较好的性能,同Stanford的单核流体系结构模拟器Isim相比,Msim平均模拟速度是Isim的4倍。本文在实现Msim的过程中,对模拟器的实现技术和方法进行深入研究,提出了一些可有效提高模拟器灵活性和模拟速度的技术:基于配置文件的可扩展性设计、时序模拟和功能模拟融合技术、基于宿主机的直接模拟技术,实验结果表明,采用这些技术的模拟器,其平均模拟速度为未采用该技术的1.97倍。本文还研究了软硬件联合模拟技术,提出了一种简单高效的模块间通信模型——基于通道的通信模型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 应用需求
• 1.1.2 集成电路工艺的发展
• 1.1.3 体系结构模拟技术
• 1.2 国内外相关研究现状
• 1.2.1 多核流体系结构研究现状
• 1.2.2 模拟技术研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 论文结构
• 第二章 多核流体系结构
• 2.1 Tisa 体系结构
• 2.1.1 顶层硬件结构
• 2.1.2 流处理器核体系结构
• 2.1.3 多核互联结构
• 2.2 多核流编程模型
• 2.3 小结
• 第三章 多核流体系结构模拟器 Msim 的设计
• 3.1 设计目标及方法
• 3.1.1 设计目标
• 3.1.2 模拟方法
• 3.2 模拟器整体设计
• 3.2.1 模拟器整体结构
• 3.2.2 类关系图
• 3.2.3 算法主流程
• 3.3 主控标量核模块的设计
• 3.4 流级部件的设计
• 3.4.1 主控接口的设计
• 3.4.2 流控制器的设计
• 3.4.3 片外存储器的设计
• 3.4.4 互联模块的设计
• 3.5 核心级部件的设计
• 3.5.1 运算簇的设计
• 3.5.2 微控制器的设计
• 3.5.3 流寄存器文件的设计
• 3.5.4 流缓冲的设计
• 3.6 小结
• 第四章 模拟器优化实现技术
• 4.1 提高模拟器的灵活性
• 4.1.1 面向对象的模块化技术
• 4.1.2 基于配置文件的可扩展性设计
• 4.2 提高模拟器的模拟速度
• 4.2.1 时序模拟和功能模拟融合技术
• 4.2.2 基于宿主机的直接模拟技术
• 4.3 软硬件联合模拟
• 4.3.1 抽象通信模型
• 4.3.2 基于RS232 的软硬件联合模拟
• 4.4 小结
• 第五章 模拟器性能分析与评测
• 5.1 运行环境
• 5.1.1 测试程序编译
• 5.1.2 模拟器用户接口
• 5.1.3 程序运行结果显示
• 5.2 模拟器的正确性分析
• 5.2.1 存储模型的正确性分析
• 5.2.2 模拟器的正确性分析
• 5.3 模拟器的性能分析
• 5.3.1 单核模拟性能测试
• 5.3.2 多核模拟性能测试
• 5.4 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 工作总结
• 6.2 未来的研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果