共享主存多SIMD結(jié)構(gòu)及編譯技術(shù)研究

共享主存多SIMD結(jié)構(gòu)及編譯技術(shù)研究題目：多SIMD結(jié)構(gòu)及其編譯技術(shù)研究

摘要：近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提高，多SIMD結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。然而，傳統(tǒng)的編譯器編譯技術(shù)對(duì)多SIMD應(yīng)用的優(yōu)化效果仍然有所限制，因此，開(kāi)發(fā)出一套編譯技術(shù)來(lái)優(yōu)化多SIMD結(jié)構(gòu)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本文結(jié)合多SIMD結(jié)構(gòu)介紹了多種編譯技術(shù)，包括靜態(tài)排序、動(dòng)態(tài)排序、編譯型優(yōu)化、編譯型與執(zhí)行型優(yōu)化等，并對(duì)技術(shù)能力和特點(diǎn)作了分析。本文還對(duì)技術(shù)的優(yōu)劣進(jìn)行了比較，并提出了未來(lái)可以改進(jìn)的方向。

關(guān)鍵詞：多SIMD結(jié)構(gòu)；編譯技術(shù)；靜態(tài)排序；動(dòng)態(tài)排序；編譯型優(yōu)化；執(zhí)行型優(yōu)化

正文：

一、引言

隨著新一代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多SIMD結(jié)構(gòu)及其相關(guān)技術(shù)應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注，尤其在視頻處理、圖像處理、網(wǎng)絡(luò)處理等科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域中，多SIMD結(jié)構(gòu)的使用都有顯著的效果。但是，多SIMD結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果受到了傳統(tǒng)的編譯器技術(shù)的限制，因此，研究多SIMD結(jié)構(gòu)的編譯技術(shù)已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本文將介紹多SIMD結(jié)構(gòu)的編譯技術(shù)，包括靜態(tài)排序，動(dòng)態(tài)排序，編譯型優(yōu)化，編譯型與執(zhí)行型優(yōu)化等，并對(duì)技術(shù)能力和特點(diǎn)作了分析。

二、編譯技術(shù)

2.1靜態(tài)排序

靜態(tài)排序是指在編譯時(shí)將運(yùn)行程序按照一定規(guī)則組織排列，以減少程序運(yùn)行時(shí)處理和計(jì)算的次數(shù)，從而提高性能。靜態(tài)排序基本原理為檢測(cè)待排列程序中各指令之間的無(wú)關(guān)性，如果兩指令之間沒(méi)有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，則可以在編譯時(shí)將其重新排列，以達(dá)到優(yōu)化的目的。另外，靜態(tài)排序可以與編譯器中的其他優(yōu)化技術(shù)如分支預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)緩存分配結(jié)合，以進(jìn)一步提升性能。

2.2動(dòng)態(tài)排序

動(dòng)態(tài)排序是指在程序運(yùn)行時(shí)對(duì)指令序列進(jìn)行排序，以使其同時(shí)執(zhí)行指令數(shù)量最大，也就是說(shuō)，盡可能多的指令可以“并行”地執(zhí)行。動(dòng)態(tài)排序的優(yōu)勢(shì)在于可以根據(jù)當(dāng)前計(jì)算環(huán)境動(dòng)態(tài)優(yōu)化指令序列，從而提高程序的性能。

2.3編譯型優(yōu)化

編譯型優(yōu)化是指在編譯時(shí)，根據(jù)已有的程序代碼，對(duì)程序代碼進(jìn)行優(yōu)化，以提高程序的運(yùn)行效率。編譯型優(yōu)化包括常量折疊、循環(huán)展開(kāi)、矩陣變形、內(nèi)聯(lián)函數(shù)等。常量折疊指將運(yùn)算中的常量合并，使得程序代碼更加精簡(jiǎn)；循環(huán)展開(kāi)指將運(yùn)行多次的循環(huán)指令展開(kāi)為多條獨(dú)立的指令；矩陣變形指將矩陣運(yùn)算指令分解為多條標(biāo)量運(yùn)算指令；內(nèi)聯(lián)函數(shù)指將函數(shù)調(diào)用替換為函數(shù)本身的代碼。

2.4編譯型與執(zhí)行型優(yōu)化

編譯型與執(zhí)行型優(yōu)化是指結(jié)合編譯器的優(yōu)化技編譯型與執(zhí)行型優(yōu)化的核心思想是通過(guò)改進(jìn)工具鏈，在表達(dá)同一目的的代碼指令中找出最快最高效的實(shí)現(xiàn)方式。傳統(tǒng)的編譯器優(yōu)化技術(shù)只改進(jìn)靜態(tài)代碼，而執(zhí)行型優(yōu)化則對(duì)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)代碼進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合使用這兩種技術(shù)，可以在編譯時(shí)進(jìn)行靜態(tài)優(yōu)化，再將已優(yōu)化的代碼轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化，從而可以更好地提高程序運(yùn)行效率。

此外，編譯型優(yōu)化和執(zhí)行型優(yōu)化也可以結(jié)合使用其他技術(shù)，如正則表達(dá)式改進(jìn)、數(shù)據(jù)流分析以及級(jí)聯(lián)和共享等，來(lái)更加全面地優(yōu)化程序代碼，提升性能。在優(yōu)化程序代碼中，另一個(gè)重要技術(shù)是內(nèi)存訪問(wèn)優(yōu)化。內(nèi)存訪問(wèn)優(yōu)化指通過(guò)改善程序的數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式來(lái)提高程序性能。對(duì)于內(nèi)存訪問(wèn)優(yōu)化，最常用的技術(shù)是指令級(jí)并行。其核心思想是在多個(gè)基本指令步驟中，當(dāng)可以同時(shí)執(zhí)行的步驟與可能存在的數(shù)據(jù)依賴沖突時(shí)，將它們分散到不同的CPU核心上，從而提高系統(tǒng)的性能。

另外，還可以使用動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)，根據(jù)CPU當(dāng)前的狀態(tài)，以及已經(jīng)執(zhí)行的指令的延遲，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整程序的執(zhí)行步驟，以減少指令間的延遲，同時(shí)還可以重排指令，以改善內(nèi)存訪問(wèn)性能。此外，一些具體的內(nèi)存訪問(wèn)優(yōu)化方法如緩存粒度優(yōu)化、分頁(yè)優(yōu)化、多線程優(yōu)化和虛擬存儲(chǔ)優(yōu)化等，也常常被用于提高程序的內(nèi)存訪問(wèn)性能。從上文可以看出，編譯型優(yōu)化和執(zhí)行型優(yōu)化是提高程序性能的重要技術(shù)，它們采用結(jié)合編譯器的優(yōu)化技術(shù)，改善工具鏈，在表達(dá)同一目的的代碼指令中找出最快最高效的實(shí)現(xiàn)方式來(lái)提升性能。此外