同时多线程处理器中的资源分配策略研究

发布时间：2020-06-02 23:42

【摘要】： 同时多线程(Simultaneous Multithreading,简称SMT)处理器通过多个线程共享处理器资源来提高性能,每个线程执行的性能和处理器的总体性能都取决于如何在线程之间分配共享资源,即取决于资源分配策略。如何有效地分配共享资源成为同时多线程处理器研究的重要课题之一。随着同时多线程处理器的广泛应用,除了追求高性能外,处理器硬件还需要在公平性和保证实时任务的服务质量(Quality of Service,简称QoS)方面提供支持。当前,同时多线程处理器资源分配策略的研究主要围绕提高性能、优化公平性和保证实时任务的服务质量这三个方面展开。然而,在提高性能方面,现有的资源分配策略存在资源利用率低、资源浪费和资源滥用严重等问题,还有进一步优化的空间,如何提高处理器性能仍然是资源分配策略的研究热点;在优化公平性方面,现有的研究大多是对已有资源分配策略的公平性进行评估,并没有专门针对公平性的优化提出有效的策略,如何通过有效的资源分配实现公平性成为亟待解决的问题;在保证实时任务的服务质量方面,有关研究非常少,目前只提出了一种显式的资源分配策略,以保证实时任务的服务质量为目标的资源分配策略需要进一步的研究。本文针对上述三个方面展开了深入研究,并取得以下研究成果。 1.为了进一步提高性能,提出了一种SMT处理器资源分配策略——MFP。该策略结合取指控制和资源划分的优势,主要利用取指控制共享资源的分配,以实现资源的自由竞争、提高资源利用率,并辅助使用资源划分方法,减少由于竞争不当导致的资源滥用和资源浪费。 2.为了更好地支持公平性,专门针对公平性优化提出了一种SMT处理器资源分配策略——FAIR。该策略从取指的角度间接控制共享资源的分配,通过优先从正规化性能加速比较低的线程取指来加速该线程的执行,进而实现所有线程公平地占用处理器。 3.为了保证实时任务的服务质量,提出了一种隐式的SMT处理器资源分配策略——CPIT。该策略从取指的角度间接控制共享资源的分配,通过适时调整实时任务的取指优先级来达到控制其性能的目的,从而保证实时任务的服务质量。 4.为了在优化公平性的同时提高性能,提出了一种SMT处理器资源分配策略——FAIR+。该策略把FAIR策略和任何一种以提高性能为目标的资源分配策略结合使用,充分利用两种策略在优化公平性和提高性能方面的优势,在优化公平性的同时尽可能提高处理器的总体性能。 5.为了在保证实时任务服务质量的同时提高性能,提出在CPIT策略中结合使用MFP策略,充分利用CPIT和MFP在保证实时任务服务质量和提高性能方面的优势,在保证实时任务服务质量的同时尽可能提高处理器的总体性能。实验表明,本文提出的资源分配策略都能够有效地实现特定的目标。本文的研究为同时多线程处理器在不同领域的广泛应用奠定了基础。
【图文】：

后SPE,发射带宽,硬件复杂度,增长趋势

.2 发射带宽增加后 SPEC CPU 2000 程序的 IPC 和硬件复杂度增长用程序固有的 ILP体系结构的优化主要受到以 SPEC CPU 2000 评测为代表的动。这类应用大多具有较规则的控制流和较高的 ILP，可以器的预测精度达到 90%以上。但是，并非所有的应用都有整型程序固有的 ILP 较低，浮点程序固有的 ILP 较高。许理器从传统的单指令流中实际能开发出的 ILP 是非常有准程序，PowerPC 620 的 IPC 为 0.96~1.77，8 发射的 Alp 不到 1.5[1]。Pentium Pro 对 SPEC95 基准程序有类似的 IPC 们在 8 发射 Alpha 处理器2上对 SPEC CPU 2000 进行了测试.15。些服务器应用，，像商业的在线事务处理（On-Line TransacLTP）和决策支持系统（Decision Support Systems 简称 DS则，ILP 较低。在一台由 4 个 Pentium Pro 组成的对称多处

示意图,使用情况,示意图,指令级并行

国防科学技术大学研究生院博士学位论文以发射执行，填充的方格表示有指令可以发射执行。发射槽的浪费可以分成垂直浪费和水平浪费[3]，如果某个周期所有的发射槽都空闲，这时称发生了垂直浪费，如果只有部分发射槽空闲，则称发生了水平浪费。不难看出，单线程处理器中既存在垂直浪费，又存在水平浪费。垂直浪费是由长延时操作造成的，而水平浪费是由指令级并行不够造成的。(1) 同时多线程 vs. FMT 和 CMT图 1.3(b) 和(c)分别给出了 FMT 和 CMT 中发射槽的使用情况。FMT 和 CMT通过线程切换可以隐藏存储延时，因此减少了发射槽的垂直浪费。可是由于 FMT和 CMT 在同一个时钟周期里只能从一个线程发射指令，因此指令级并行不足造成的水平浪费仍然存在。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TP332

【引证文献】