高性能X處理器浮點(diǎn)部件的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化.pdf

1、浮點(diǎn)部件是決定高性能微處理器性能的關(guān)鍵部件之一。論文實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于亂序超標(biāo)量X處理器的浮點(diǎn)發(fā)射隊(duì)列和浮點(diǎn)加法部件，并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，相應(yīng)的功能驗(yàn)證和性能測(cè)試表明所實(shí)現(xiàn)的浮點(diǎn)相關(guān)部件能夠正確完成所需要的設(shè)計(jì)功能，改進(jìn)后浮點(diǎn)相關(guān)部件能夠有效提高特定應(yīng)用下的浮點(diǎn)部件性能。該論文研究的內(nèi)容和相關(guān)成果直接用于工程實(shí)踐，主要包括：
　　1．實(shí)現(xiàn)了一種集中-分布式發(fā)射隊(duì)列結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)高性能浮點(diǎn)發(fā)射隊(duì)列進(jìn)行相關(guān)的分析研究，根據(jù)現(xiàn)有X處理器

2、的亂序處理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)集中-分布式浮點(diǎn)發(fā)射隊(duì)列結(jié)構(gòu)。該發(fā)射隊(duì)列由發(fā)射塊、選擇模塊和記分牌模塊三大部分構(gòu)成。通過(guò)相應(yīng)的喚醒算法、仲裁算法以及相應(yīng)的更新算法，完成對(duì)分派到發(fā)射隊(duì)列的指令的發(fā)射控制。接著采用基于功能點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的方法進(jìn)行功能驗(yàn)證，利用功能點(diǎn)覆蓋率保障設(shè)計(jì)并確保驗(yàn)證有效性和可靠性，通過(guò)設(shè)置功能點(diǎn)以及觀察代碼覆蓋率來(lái)得到浮點(diǎn)發(fā)射隊(duì)列功能的正確性。
　　2．實(shí)現(xiàn)了一種聚合結(jié)構(gòu)的浮點(diǎn)加法部件。以雙通路浮點(diǎn)加法結(jié)構(gòu)為基本框架，通過(guò)資

3、源共用的原則，將浮點(diǎn)與定點(diǎn)、浮點(diǎn)與浮點(diǎn)整數(shù)、浮點(diǎn)單雙精度和半精度轉(zhuǎn)換等操作與雙通路浮點(diǎn)加法充分整合，實(shí)現(xiàn)了一種聚合結(jié)構(gòu)的浮點(diǎn)加法部件。該聚合結(jié)構(gòu)的加法部件在不增加面積的基礎(chǔ)上能夠充分利用浮點(diǎn)加法的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)完成額外的浮點(diǎn)操作，有效的利用了硬件資源，減少了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)面積。接著采用基于大規(guī)模隨機(jī)數(shù)驅(qū)動(dòng)的方法進(jìn)行功能驗(yàn)證，并以代碼覆蓋率來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)模擬驗(yàn)證流程，以代碼覆蓋率檢測(cè)和評(píng)估浮點(diǎn)加法部件驗(yàn)證工作的質(zhì)量。
　　3．改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了一種雙輸入

4、端口的集中-分布式浮點(diǎn)發(fā)射隊(duì)列結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過(guò)增加發(fā)射隊(duì)列的輸入端口，將X處理器浮點(diǎn)發(fā)射隊(duì)列的有效接收寬度由2提升到了4，使得發(fā)射隊(duì)列能夠支持的分派寬度增加一倍，主要手段是增加了一種虛擬保留站類型的發(fā)射塊；通過(guò)將發(fā)射隊(duì)列的項(xiàng)數(shù)由8項(xiàng)增加到16項(xiàng)，使得發(fā)射隊(duì)列能夠在更大的跨度空間內(nèi)將無(wú)關(guān)指令發(fā)射到執(zhí)行流水線中，有效的提高了浮點(diǎn)指令的執(zhí)行效率。測(cè)試結(jié)果表明：改進(jìn)的發(fā)射隊(duì)列能夠有效的減少亂序超標(biāo)量處理器浮點(diǎn)指令的等待時(shí)間，有效提高浮點(diǎn)指令的執(zhí)

5、行效率，性能提升最大能夠達(dá)到3.4％。
　　4．改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了一種低延遲分離式高性能浮點(diǎn)加法部件結(jié)構(gòu)。聚合結(jié)構(gòu)的浮點(diǎn)加法結(jié)構(gòu)能夠節(jié)省實(shí)現(xiàn)面積，但是并不能滿足超高性能的處理器對(duì)浮點(diǎn)性能的要求。論文通過(guò)將浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換功能從聚合結(jié)構(gòu)的浮點(diǎn)加法部件中剝離，并采用基于物理綜合指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化迭代的方式，將浮點(diǎn)加法部件的延遲由4拍減為3拍，理論性能提升25%；將轉(zhuǎn)換類指令的延遲由4拍減為2拍，理論性能提升50%。實(shí)際的性能測(cè)試表明，所實(shí)現(xiàn)的分離式浮點(diǎn)加法