试论多线程向量处理器中向量数据存储结构的设计与实现

董宇

[摘要]随着科学技术的发展，计算机技术更是突飞猛进，嵌入式系统的应用也越来越广泛。截至目前，各种处理器不断的出现，为计算机技术提供了高效、科学、安全、稳定的运行基础上，也形成了一套综合、系统的管理流程和管理模式，这也是当前业内人士研究的重点目前，以向量处理器为主的微型处理结构应用日益广泛，其向量数据存储结构的设计也成为相关人员研究的要点本文就多现场向量处理器中向量数据存储结构的设计与实现提出了探讨，以供相关工作人员参考。

[关键词]多线程；处理器；计算机技术；访存款带

[中图分类号]F224.39 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0053-01

多线程和向量技术是当前计算机技术发展的一个重要的趋势，也是现代化社会发展中研究最多的处理器设计要点。这种设计工作中，是通过提出一个多现场向量处理其设计要点为基础，利用多线程切换数据的方式来隐藏访存延迟现象的出现，并使得向量数据在运行中能够直接访问到二级cache从而提高宽带运行效率的一种结构。基于这些优势，因此在目前的向量处理器工作中，这些技术的应用较为常见，也是实现现代化计算机技术发展的核心内容。

一、向量处理器与多线程技术分析

在目前的社会发展中，多线程技术和向量技术一直深受着业内人士的关注，是处理器结构体系中结构和编程模式的技术要点，其在整个处理器发展中扮演着重要的角色。

1、向量处理器分析

向量处理器也被人们广泛的称之为阵列式处理器，是在工作中能够同步进行多种数据综合处理和运算操作的一种复杂的计算机结构。然而截至目前的社会发展中，多数计算机组装中都仍然是采用纯良处理器为主，这种处理器在应用中只能够一次处理一个要素，而无法对多套数据进行处理和归纳。向量处理器的出现使得计算机领域发生了翻天覆地的变化，它的出现使得整个计算机结构、构成和功能发生了重大变化，尤其是在上个世纪八十年代至九十年代着一段时期内，其更是成为各种超级计算机运行和主要基础。当今社会中，大多数的商业处理器仍然是以向量处理器为主的，已成为整个社会领域中最为常见的一项。

2、多线程技术分析

所谓的多线程技术主要指的是多个线程能够同时、并发运行的一项综合性技术体系，具有多线程能力的计算机因为有重组的硬件和软件系统的支撑能够在同一时间运行多个不同的软件和线程，进而提高了计算机的处理效率和处理质量，同时从整体上提升了计算机技术的应用优势。截至目前，我们在工作中可以将多线程技术分为以下三个方面：主要指的是细粒度多线程体系结构、粗粒度多线程体系结构和同时多线程体系结构。这三种结构体系的相互促进、相互协调运行使得整个计算机体系呈现出巨大的发展态势，也为计算机技术的全面、综合、统一迈进提供了扎实的基础平台。

3、向量技术

向量技术从诞生以来一直应用在高性能计算机当中，是计算机技术发展的指导依据和基础平台。随着科学技术的发展和计算机技术的进步，向量技术也得到了极大的迈进，其已经广泛的应用在各类处理器结构当中，成为处理工作中的指导依据和应用基础。经过多年的实践证明，向量技术的能够更好的适应计算机技术、处理技术和自动化技术的发展要求，从阿尔达到更高的实际应用性能的优势。

二、多线程向量存储结构设计

1、多线程向量体系结构

多线程处理器中设计有多套独立的线场，包括PC、通用寄存器、浮点寄存器、向量寄存器、状态寄存器等。每个线程从软件的角度看都是一个独立的处理器，线程的数量可以很多。多线程处理器设计有专门的向量部件，执行扩展的宽向量指令。多线程向量处理器通过将来自多个线程的指令交叉执行来隐藏长延迟操作带来的流水线阻塞，当来自某个线程的指令由长延迟操作而阻塞的时候，其他线程的指令仍可以继续执行，从而保持流水线的满负荷工作。

2、多线程向量存储结构

将多线程与向量技术结合，可以隐藏向量数据访问的存储器延迟，但需要处理好向量数据与标量数据的存储结构和数据相关性。我们设计了一种向量与标量混合访问的存储层次，一级数据缓存只缓存标量数据，不缓存向量数据。向量访存操作将不进入一级数据缓存，直接通过二级缓存访问。这样做是基于两点考虑：首先，L1D容量小而向量数据规模大，这样避免了向量数据与标量数据争夺有限的LID资源，避免LID的数据抖动，利于充分发挥标量处理部件的计算性能；其次，由于有多线程的延迟隐藏机制，二级缓存高速缓存的访问延迟可以得到很好的隐藏，不会对向量处理部件的性能造成过大的影响。高速缓存数据块的大小与向量寄存器的位数一致。这样，每个向量访存操作都能够消耗或生成一个完整高速缓存块，便于高速缓存的控制及向量访存部件的设计。

三、多线程向量处理器中向量数据存储结构实现

向量处理器是通过向量操作来支持数据并行性的处理器。为了有效地利用向量计算中的数据并行性，向量处理器的结构通常包括向量寄存器文件、深度流水的ALU和一维的SIMD组织形式的多种组合。向量寄存器文件存储的是数据向量，而不是单个的数据字，它们是在对向量进行操作时，顺序地进行传送的。不仅图像处理采用向量处理器技术，当前世界上处理速度最陕的超级计算机——日本NEc的《地球仿真测试系统》，也是以0.15mm工艺实现的向量处理器为基础，由5120个向量处理器（共有640个节点，每个节点有8个向量处理器）组成的。

1、多线程向量处理器中向量数据存储结构的回顾

整个计算机界似乎总是在不停的重复着“前进-回退-再前进”的步调。很多基础性的创新结构在很早之前都被提出了，但由于市场、技术和现实条件的限制最终只有很少的技术在一段时间内成为主流。一种主流技术在走到生命尽头之后，以前一种被遗忘技术可能被人们从故纸堆中翻出来，以崭新的面目引导新的技术革新。

在处理器体系结构设计中的上一次回归是RISC。当VAX开启了变长指令，多寻址模式等CISC技术之后，处理器设计变得越来越复杂，纯粹的CISC很难设计，也难以实现；这时提倡精简的RISC替代了VAX处理器体系结构称主流技术。在80 90年代，RISC思想JL5e遍布所有厂商的处理器。

2、桌面优化

在开始详细分析向量处理器的结构之前，不妨先看一下近30年的发展过程中桌面系统体系结构的变迁。除了CPU而外，桌面系统的其他部件的功能也不断增强。在向量处理器中以内部互连EIB总线为核心，8个完全相同的SPE（synergistic Processor Element）向量处理核心和一个PowerPC兼容的PPE（Power Processor Element）核心围绕在环状数据总线四周。XIO接口提供与Rambus XDR内存的高速互连，FlexIO提供了高速I/O通道，同时在应用中也为整个计算机工作的持续进行提供了方便。

四、结束语

本文提出一种多线程向量的存储结构，该结构支持标量数据和向量数据的混合存储，利用多线程切换来隐藏访存延迟，并让向量数据直接访问cache来提高带宽。模拟实验表明多线程能提高实用带宽，所提出的存储结构能支持高带宽的向量数据访问。

参考文献

[1]孙彩霞同时多线程处理器中的资源分配策略研究[学位论文]2006

[2]Intel Pentium4 processor homepage 2011