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基于EPIC体系结构的软件流水技术研究

作　者: 林海波
导　师: 汤志忠
学　校: 清华大学
专　业: 计算机系统结构
关键词: EPIC IA-64 指令级并行 软件流水 循环展开 寄存器分配
分类号: TP311.52
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
下　载: 223次
引　用: 1次
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内容摘要


EPIC是一种显性并行指令计算体系结构，主要思想是利用编译器和处理器的协同能力来提高指令级并行度。软件流水是开发循环程序指令级并行性的重要编译优化技术。虽然已经在软件流水方面进行了很多的研究工作，但是对于新的体系结构还有许多问题没有得到圆满的解决。本文结合EPIC体系结构特性，对软件流水技术中的循环展开、寄存器分配、开销模型和决策框架等领域进行了研究，并将其中一些成果应于一个开放源码的编译器，取得了比较好的效果。本文的主要贡献包括以下几个方面：（1） 提出了一种寄存器敏感的循环展开因子（RSU）算法。该方法通过寄存器压力的分析，重新计算循环展开因子，避免了过度展开而导致的寄存器压力过大问题，从而尽可能地保证软件流水的顺利进行；（2） 提出了一种堆栈寄存器分配（SRA）算法。该方法将空闲的堆栈寄存器分配给需要静态寄存器的变量，用软件的方法实现了寄存器功能的动态划分，提高了寄存器的利用率，解决了静态通用寄存器不足引起的软件流水失败问题；（3） 提出了面向程序特性的软件流水开销模型。软件流水的性能会受到计算机体系结构、编译算法和程序特性的限制，该模型提出了软件流水是一种有损策略的新观点，并在确定体系结构和编译算法的条件下对软件流水的开销进行了量化分析；（4） 提出了一种基于相关性分析的软件流水开销测试（DBCT）算法以及软件流水的决策框架。该方法根据循环的相关关系特性对软件流水带来的性能潜力进行估计，从而为编译器进行软件流水决策提供支持；（5） 在开放源码的编译器原型ORC上实现了上述算法并对其软件流水部分进行了改进，这些改进已经发布在最新的版本ORC 2.0中。

全文目录


中文摘要  4-5
ABSTRACT（英文摘要）  5-6
目录  6-10
第一章 引言  10-27
  1．1   关于EPIC  10-16
    1．1．1   EPIC的历史  11-12
    1．1．2   IA-64：一种EPIC体系结构  12-16
    1．1．3   其他的64位微处理器  16
  1．2   关于软件流水  16-23
    1．2．1   指令调度算法  17-21
    1．2．2   寄存器分配  21-23
  1．3   关于本文  23-27
    1．3．1   研究与不研究什么  23-24
    1．3．2   全文组织  24-25
    1．3．3   本文的创新及主要贡献  25-27
第二章 循环展开与软件流水  27-47
  2．1   概述  27-29
  2．2   原理及比较  29-34
    2．2．1   循环展开的原理  29-30
    2．2．2   循环展开的优缺点  30-31
    2．2．3   软件流水的原理  31-32
    2．2．4   软件流水的优缺点  32-33
    2．2．5   循环展开与软件流水的区别与联系  33-34
  2．3   软件流水中的循环展开  34-36
    2．3．1   资源利用率  34-35
    2．3．2   相关性限制  35
    2．3．3   代码量  35-36
    2．3．4   算法描述  36
  2．4   寄存器敏感的循环展开因子算法RSU  36-41
    2．4．1   寄存器需求分析  36-38
    2．4．2   算法描述  38-41
  2．5   实验结果与分析  41-45
    2．5．1   实验环境  41-43
    2．5．2   软件流水失败  43-44
    2．5．3   RSU算法的性能评价  44-45
  2．6   本章小结  45-47
第三章 软件流水的寄存器分配  47-73
  3．1   概述  47-49
  3．2   IA-64体系结构的寄存器组织  49-52
    3．2．1   通用寄存器  50-51
    3．2．2   浮点寄存器  51
    3．2．3   条件位寄存器  51
    3．2．4   应用寄存器和其他  51-52
  3．3   循环变量的寄存器分配  52-60
    3．3．1   变量生存期  52-55
    3．3．2   寄存器需求的上下界  55-56
    3．3．3   寄存器分配算法  56-60
  3．4   软件流水的寄存器需求分析  60-64
    3．4．1   通用寄存器  60-62
    3．4．2   浮点寄存器  62
    3．4．3   条件位寄存器  62-64
  3．5   堆栈寄存器分配算法SRA  64-68
    3．5．1   alloc指令  65-66
    3．5．2   通用寄存器分配模型  66-67
    3．5．3   算法描述  67-68
  3．6   实验结果与分析  68-72
    3．6．1   实验环境  68-69
    3．6．2   SRA算法的性能评价  69-72
  3．7   本章小结  72-73
第四章 软件流水的开销模型和决策框架  73-95
  4．1   概述  73-74
  4．2   软件流水的开销模型  74-83
    4．2．1   软件流水的性能评价  75-77
    4．2．2   面向程序特性的软件流水开销模型  77-78
    4．2．3   软件流水的开销分析  78-83
  4．3   基于相关性分析的软件流水开销测试算法DBCT  83-85
    4．3．1   基本思想  83-84
    4．3．2   算法描述  84-85
  4．4   软件流水的决策框架  85-87
  4．5   实验结果与分析  87-93
    4．5．1   实验环境  88-89
    4．5．2   软件流水的开销  89-91
    4．5．3   DBCT算法的性能  91-93
  4．6   本章小结  93-95
第五章 编译器原型ORC  95-115
  5．1   概述  95-96
  5．2   ORC简介  96-102
    5．2．1   ORC的历史回顾和版本演进  97-99
    5．2．2   ORC的软件体系结构  99-100
    5．2．3   ORC应用的编译优化技术  100-102
  5．3   ORC的软件流水实现  102-104
  5．4   ORC的性能评价  104-111
    5．4．1   测试环境  104-106
    5．4．2   目标程序的执行时间  106-107
    5．4．3   编译时间  107-108
    5．4．4   代码量  108-110
    5．4．5   采样分析  110-111
  5．5   对ORC的几点改进  111-114
    5．5．1   增强的数据相关性分析  111-112
    5．5．2   基于统计的软件流水决策  112-113
    5．5．3   最小启动间距MII的维护  113-114
  5．6   本章小结  114-115
结论  115-117
参考文献  117-127
致谢及声明  127-128
附录术语对照表  128-131
个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文  131-132

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机软件 > 程序设计、软件工程 > 软件工程 > 软件开发
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