[發明專利]基于Petri網的微處理器微體系結構參數優化方法

有效

• 申請號: 201410673302.5
• 申請日: 2014-11-21
• 公開（公告）號: CN104361182B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 王蕾;王永文;竇強;鄧宇;趙天磊;孫彩霞;張承義;高軍;倪小強;隋兵才;陳微;黃立波
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06F9/44
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所(普通合伙)43008
• 代理人: 趙洪,譚武藝

技術領域

本發明涉及微處理器設計技術領域的微處理器性能瓶頸分析優化方法，具體涉及一種基于著色Petri網的微處理器微體系結構參數優化方法。

背景技術

在微處理器設計的早期，首先要確定微處理器微體系結構的各項細節，包括：流水線級數，流水站間寄存器的數量，各項關鍵資源的數量，如重定序緩沖(Reorder buffer)的大小、提交(commit)隊列的大小等，執行單元的個數、延遲、取值寬度，發射寬度，按序執行還是亂序執行等。在設計起始階段如何選擇這些參數是很有挑戰的工作。參數的選擇依賴于處理器所面向的應用的特點，需要通過對原型系統進行詳細的性能分析，并且比較不同參數配置下處理器的性能。目前在微處理器設計的早期，如何在各項微體系結構參數都沒有確定的情況下，快速準確的評估微處理器的性能，從而確定最優的微體系結構參數所通常采用的方法是采用模擬器。

但為了提高通用性，模擬器一般都采用較為通用的結構。為了對特定處理器的微體系結構進行模擬，需要對模擬器進行修改，一般會耗費較長的時間。此外，模擬器的運行速度也比較慢。針對一種微體系結構參數的配置，用時鐘精確的模擬器運行有代表性的測試程序(如SPEC 2000)來獲取性能，往往需要花費若干個星期。而微處理器的設計工期一般都比較緊。因此這種方法的使用非常受限。因此，由于缺乏高效的方法，設計人員很難在設計的起始階段對微處理器的微體系結構設計空間進行有效的探索，導致微處理器的微體系結構參數的確定很大程度上依賴經驗和猜測，缺乏證據支撐。

如果能夠在設計的早期，對微處理器的微體系結構進行建模，并在構建微處理器模型的時候，合并考慮微處理器上所運行程序的情況，通過對模型的模擬和理論分析，得出系統的關鍵路徑和性能瓶頸，從而指導微體系結構中各項資源的配置平衡。這樣就可以在設計的早期，選擇各項參數的最優值，提高微處理器的性能，加速微處理器的設計。傳統的微處理器設計空間探索方法是使用大規模的，時鐘精確的體系結構模擬。如前文所說，這種模擬器的缺點是速度太慢。針對此問題，提出了幾種快速模擬的方法，減少每種參數配置下需要模擬的指令的數量。但是，需要模擬的微體系結構參數的配置空間仍然很大。為了減少運行模擬的次數和模擬帶來的耗費，學術界提出了一些預測模型。預測模型包括兩個階段：訓練階段和預測階段。在預測階段，挑選一些參數配置輸入模擬器進行模擬，獲得模擬結果（性能或功耗），然后用這些被標記的參數配置來訓練預測模型，使得模型能夠預測輸入（參數配置）和輸出（性能或功耗）之間的關系。在預測階段，訓練好的預測模型被用來預測新的參數配置所能產生的性能或功耗。該類方法有效的減少了模擬的開銷，但是缺乏有效的證據證明這類方法預測的精確度。

著色Petri網(Colored Petri Net)是Petri網(Petri Net)的一種兼容形式，保留了Petri網的有用的屬性，并進行了擴展。可以認為著色Petri網(簡稱CP-nets或者CPNs)是種用于構建并發系統模型、并分析系統屬性的圖形化語言，著色Petri網允許其token有值，這個值被稱為token的顏色(color)。每個位置(place)的顏色類型被稱為顏色集(color set)。

綜上所述，在微處理器設計早期進行設計空間探索時，存在以下問題：1)現有基于時鐘精確的體系結構模擬器的模擬速度太慢，運行代表性測試程序花費時間太長，無法在有限的時間內對多種參數配置進行模擬，只能探索設計空間中很小的一部分。2)現有的基于預測模型的設計空間探索方法，預測的可信度和預測的精度都不高，雖然速度快但難以產生可信的結果。針對在設計早期對微處理器的微體系結構參數進行優化所存在的挑戰，如何采用著色Petri網的建模、模擬和理論分析相結合的微處理器設計空間探索方法來解決在微處理器設計早期的進行快速的微體系結構設計空間探索問題，已經成為一項亟待解決的關鍵技術問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：針對現有技術的上述技術問題，提供一種預測可信度及精度高、探索設計空間涉及范圍廣、優化算法復雜度較低、優化快速高效的基于Petri網的微處理器微體系結構參數優化方法。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

一種基于Petri網的微處理器微體系結構參數優化方法，其實施步驟如下：

1）根據微處理器的微體系結構，基于著色Petri網構造流水線模型的模板；

2）獲取在該微處理器上運行目標應用程序的指令序列；