基于动态指令集的自适应处理器的关键技术研究

论文摘要

专用指令集处理器（ASIP）既继承了通用处理器（GPP）的编程灵活、上市时间短等优点,又集成了专用集成电路（ASIC）的功耗低、执行高效等特性,它的出现给系统开发、设计等不同层次的人员带来了许多益处,因此越来越受到学术界和工业界的欢迎和关注。但是,ASIP的设计实现难度较大,其中难度最大的是快速的工具链实现和验证。如何降低或避免ASIP工具链开发所带来的额外开销,是ASIP应用中一个重要的问题。新技术领域的兴起对程序与计算提出了更严格的要求,频繁变化的用户需求使处理器执行的任务具有高度的动态性。传统的基于静态指令集设计的处理器已经无法够满足这些应用的需求。如何设计新的架构来满足用户动态变化的需求,是处理器设计中的重要问题。本文针对上述两个问题,提出了一种基于自适应ASIP处理器（ApplicationSpecific Adaptive Processor,ASAP）的解决方案。ASAP将ASIP技术与可重构技术结合到一起,让处理器能够动态的扩展自定义指令以适应变化的应用需求;同时保证底层硬件的重构对上层软件透明,使自定义指令能够动态的映射而不改变对应用程序的接口,以重用原有工具链,从而减少开发者负担并缩短研发周期。本文开展的主要研究工作和创新特色如下:（1）本文首先分析研究了目前ASIP的典型开发流程,指出了其中的关键问题,然后针对其中的问题来寻找相应的解决方案。首先,针对工具链中验证难的问题,本文结合目前常见的基于体系结构描述语言（ADL）工具的设计流程,提出了一种基于ADL的指令集规范验证方法,协同验证了指令集规范,处理器模型及工具链。然后,针对工具链开发负担大和用户需求动态变化大的问题,本文提出了一个基于动态指令集的自适应处理器架构ASAP的方案,该方案能避免工具链的问题并适应用户的动态需求。（2）本文详细分析研究了应用的特征和已有的剖析技术,结合ASAP处理器架构,设计并实现了一个可配置的硬件剖析器CHP,使之能够与微处理器低耦合的工作,并在占用较少硬件资源的情况下,正确的找出目标应用的热点路径。本文通过详尽的实验确定了剖析器各个部件中关键参数的设置。实验表明,对于适合优化的应用,CHP找出的热点路径的覆盖率都能够达到80%以上,为指令集优化工作奠定了很好的基础。（3）本文详细分析了常见的指令集扩展技术,对其中的自定义指令生成和自定义指令选择问题进行了深入的研究。首先结合ASAP处理器架构给出了一个自定义指令生成算法,通过数据流分析、指令簇标记、子图枚举、子图合并的方法,找出了符合自定义扩展指令多约束要求的候选指令集合。实验数据表明,该算法能够高效的找出目标应用的所有非平凡自定义指令集合。然后,针对目前自定义指令选择问题中,常见的启发式算法无法找到最优解的情况,给出了一种贪心的启发式算法GreedyHeur和一种结合贪心策略和差分进化思想的ISDE算法。实验表明,GreedyHeur算法能快速的选择比原有启发式算法更优的候选指令集合,而ISDE算法在指令数目约束较强时能在较低的时间复杂度下选出性能提升值远远超过其他启发式算法的候选指令组合。本文还分析研究了常见的可重构阵列架构。结合ASAP处理器架构,描述了一种实用的可重构阵列架构的设计与实现,然后针对这种架构,给出了一种利用硬件表格来分析指令间寄存器的生产者-消费者关系,从而实现自定义指令自动映射的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 ASIP
• 1.1.2 可重构计算
• 1.1.3 自适应计算
• 1.2 论文的主要工作
• 1.2.1 研究目标
• 1.2.2 拟解决的关键问题
• 1.2.3 论文的组织结构
• 第2章 ASIP工具链问题及解决方案
• 2.1 ASIP的设计流程及问题
• 2.2 基于ADL的指令集规范验证
• 2.2.1 指令集规范
• 2.2.2 基于ADL的验证方法
• 2.2.3 验证方法示例
• 2.3 基于动态指令集的自适应处理器架构ASAP
• 2.3.1 ASAP架构
• 2.3.2 相关工作
• 2.4 本章小结
• 第3章 动态剖析技术
• 3.1 剖析技术简介
• 3.1.1 不同层次的剖析
• 3.1.2 不同目标的剖析
• 3.1.3 剖析加速技术
• 3.2 可配置的硬件剖析器CHP
• 3.2.1 分支特性分析
• 3.2.2 设计与实现
• 3.2.3 实验及结果分析
• 3.2.4 相关工作
• 3.3 本章小结
• 第4章 指令集扩展技术
• 4.1 自定义指令生成
• 4.1.1 面向ASAP的自定义指令生成
• 4.1.2 实验及结果分析
• 4.1.3 相关工作
• 4.2 自定义指令选择
• 4.2.1 问题定义
• 4.2.2 贪心启发式算法GreedyHeur
• 4.2.3 差分进化指令选择算法ISDE
• 4.2.4 实验及结果分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 动态重构和映射
• 5.1 动态重构和映射简介
• 5.1.1 动态重构技术
• 5.1.2 映射技术
• 5.2 实用的重构架构和映射方法
• 5.2.1 重构阵列架构
• 5.2.2 自动映射方法
• 5.2.3 实验及结果分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 进一步的工作
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
• 致谢