一種分片式多核處理器的用戶(hù)級(jí)模擬器

隨著片上晶體管資源的增多和互連線(xiàn)延遲的加大,分片式多核微處理器已成為多核處理器設(shè)計(jì)的新方向.為了對(duì)這種新型處理器進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)的深入研究和設(shè)計(jì)空間的探索,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了針對(duì)分片式多核處理器的用戶(hù)級(jí)多核性能模擬器.該多核模擬器在龍芯2號(hào)單處理器核的基礎(chǔ)上,完整地模擬了基于目錄的Cache一致性協(xié)議和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式片上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)模型,詳細(xì)地刻畫(huà)了由于系統(tǒng)亂序處理各種請(qǐng)求應(yīng)答和請(qǐng)求之間的沖突而造成的時(shí)序特性,可以通過(guò)運(yùn)行各種串行或并行的工作負(fù)載對(duì)多核處理器的各種重要性能指標(biāo)加以評(píng)估,為多核處理器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了快速、靈活、高效的研究平臺(tái).

片上多核微處理器(single-chip multiprocessor,簡(jiǎn)稱(chēng)CMP)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效地利用日益增多的片上晶體管資源,它通過(guò)在單芯片上使用多個(gè)處理器核運(yùn)行并發(fā)的線(xiàn)程來(lái)充分利用程序的并行性,可在不提高頻率和功耗的基礎(chǔ)上顯著提高處理器的性能.由于受到頻率和功耗的限制,工業(yè)界相繼將高性能處理器的設(shè)計(jì)方向轉(zhuǎn)向片上多核的處理器設(shè)計(jì)[1?3].
現(xiàn)有的CMP設(shè)計(jì)大多數(shù)采用集中式的多核處理器結(jié)構(gòu),在這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,每個(gè)處理器核擁有私有的一級(jí)Cache,多個(gè)處理器核通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)或共享總線(xiàn)共享二級(jí)Cache,其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn);缺點(diǎn)在于處理器核與二級(jí)Cache的數(shù)據(jù)交換是集中式的,容易成為瓶頸,造成數(shù)據(jù)通路的阻塞[4].在未來(lái)的CMP設(shè)計(jì)中,隨著處理器核數(shù)目、二級(jí)Cache容量以及片上連線(xiàn)延遲的增大,這種集中式共享的多核結(jié)構(gòu)將不再適用,而必須采用新型的多核結(jié)構(gòu).以RAW(the raw architecture workstation)[5]和TRIPS(the tera-op,realible,intelligently adaptive processing system)[6]為代表的分片式CMP結(jié)構(gòu)可以很好地解決上述問(wèn)題.分片式CMP的結(jié)構(gòu)如圖1所示(P為包含一級(jí)Cache的處理器核,L2為二級(jí)Cache塊,R為片上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的Router,該圖中的片上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為二維Mesh的結(jié)構(gòu)).