处理器性能分析模型研究

论文摘要

随着现代超标量处理器性能的提升,处理器结构越来越复杂,对处理器性能的评估也更加困难。一直以来,模拟器以其灵活的方式和对处理器整体性能精确的评估,成为处理器性能评估的主要工具,但是用模拟的方式进行性能评估非常耗时,而且不能深刻洞察各种因素对处理器性能的影响。因此,建立一个快速、相对精确而且能够深刻洞察各种因素对处理器性能影响的模型有重要意义。根据区间分析理论,本文研究并实现了平衡的超标量处理器的性能分析模型,该模型以指令分派阶段的行为为研究对象,将处理器执行时间按缺失事件分成独立的区间,每个区间包括执行有用指令的时间和处理缺失事件的时间,以CPI堆栈的方式表示出各部分对性能的影响。模型仅需输入处理器结构参数、应用程序特性参数以及处理器与应用相关的参数即可分析处理器的性能,其中应用特性参数以及处理器与应用特性相关的参数可以通过功能模拟器快速得到。模型对处理器带宽分别为2、4、6、8的平衡超标量乱序结构进行了性能评估,与周期精确的M5模拟器的仿真结果相比,模型对SPEC CPU2000整型程序CPI的平均分析误差分别为7.89%、8.9%、9.46%、10.9%。实验结果表明,模型能在一定范围内进行快速、相对精确的性能评估,而且能够深刻洞察处理器结构以及程序特性对性能的影响。根据模型误差分析,模型的误差来自对缺失事件缺失损失的交叠的忽略以及对各缺失事件缺失损失的评估过于粗略。模型的最大误差源于对指令Cache缺失损失的评估过于粗略。鉴于此,本文首先应用区间分析理论详细分析了影响一级指令Cache平均缺失损失的前端因素,并用模拟实验验证了分析结果,研究表明下一级存储系统的访问时间、取指带宽、取指队列的大小、一级指令Cache缺失率以及程序特性都会对一级指令Cache平均缺失损失产生影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 处理器性能模型
• 1.3 处理器性能分析模型
• 1.3.1 处理器性能分析模型
• 1.3.2 性能分析模型发展
• 1.4 仿真环境
• 1.4.1 模拟器
• 1.4.2 处理器结构
• 1.5 本文主要研究内容
• 1.6 本文结构安排
• 第2章 区间分析
• 2.1 区间行为
• 2.2 前端缺失事件
• 2.2.1 指令Cache缺失
• 2.2.2 分支误预测
• 2.3 后端缺失事件
• 2.3.1 长延时数据Cache缺失
• 2.3.2 其它资源暂停
• 2.4 缺失事件的交叠
• 2.4.1 前端缺失事件之间的交叠
• 2.4.2 前端与后端缺失事件之间的交叠
• 2.5 理想假设的误差
• 2.6 本章小结
• 第3章 性能分析模型
• 3.1 模型结构
• 3.2 模型实现
• 3.2.1 base部分
• 3.2.2 缺失损失评估
• 3.2.3 模型实现
• 3.3 模型验证
• 3.4 模型优缺点分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 L1 I-Cache平均缺失损失研究
• 4.1 L1 I-Cache缺失区间分析
• 4.2 L1 I-Cache平均缺失损失影响因素分析
• 4.2.1 程序特性的影响
• 4.2.2 下一级存储访问时间的影响
• 4.2.3 取指带宽、取指队列以及L1 I-Cache缺失率的影响
• 4.2.4 其他因素的影响
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢