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SMT 프로세서에 최적화된 명령어 페치 전략에 관한 연구
An Optimal Instruction Fetch Strategy for SMT Processors 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 통신이론 및 시스템, v.27 no.5C, 2002년, pp.512 - 521  

홍인표 (연세대학교 전기전자공학과 프로세서연구실) ,  문병인 (연세대학교 전기전자공학과 프로세서연구실) ,  김문경 (연세대학교 전기전자공학과 프로세서연구실) ,  이용석 (연세대학교 전기전자공학과 프로세서연구실)

초록
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최근에 성능의 한계를 드러내고 있는 수퍼스칼라 RISC를 대체할 새로운 프로세서 구조로서 SMT(Simultaneous Multi-Threading)이 활발히 연구되고 있다. SMT는 하나의 프로세서에 여러 개의 스레드가 하드웨어 자원을 동적으로 공유하며 동시에 수행되는 구조이다. 이러한 환경에서는 프로세서 안에 존재하는 여러 스레드로부터 명령어를 원활하게 공급하여 주는 것이 중요하다. SMT 프로세서는 기존의 프로세서에 비하여 사이클 당 실제 처리되는 명령어 수가 월등히 많기 때문에, 사이클 당 명령어 페치량과 페치된 명령어를 임시 저장하는 페치 큐의 엔트리수가 신중하게 결정되어야 한다. 또한 사이클마다 페치할 스레드와 각 스레드의 페치량을 결정하는 것이 성능에 큰 영향을 미친다. 따라서 본 논문에서는 이러한 요소들이 프로세서 전체의 성능에 미치는 영향을 분석하고 그 결과를 바탕으로 SMT 프로세서에 최적화된 명령어 페치 전략에 대하여 논한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, conventional superscalar RISC processors arrive their performance limit, and many researches on the next-generation architecture are concentrated on SMT(Simultaneous Multi-Threading). In SMT processors, multiple threads are executed simultaneously and share hardware resources dynamically. ...

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서는 SMT 프로세서에서 명령어 페치 유닛의 구조에 관한 기준을 제시하였다.
  • 본 논문에 제안된 SMT ARM 프로세서의 구조는 위에서 설명된 ARM 명령어 셋의 단점을 보완하기 위한 단순한 명령어 이슈 및 종속성 예측 방식과 효율적인 하드웨어 자원 공유를 통한 비용절감을 염두에 두고 설계되었다.
  • SMT 구조는 하나의 프로세서 안에 존재하는 여러 개의 스레드에서 명령어를 선택하여 페치하여야 하고로 명령어페치(fetch) 단계의 자원 할당량과 페치 스레드 선택 알고리즘에 따라 프로세서의 성능이 영향을 받는다. 본 논문에서는 프로세서의 페치 자원과 페치알고리즘에 따른 성능의 변화를 분석하였다. 2장에서는 SMT 프로세서의 전체적인 구조에 대하여 논하고 3장에서는 명령어 페치 유닛의 구조, 페치 알고리즘들을, 4장에서는 연구 방법에 대하여 설명한다.
  • 본 연구에서는 위의 파이프라인 구조에 따라 8개의 스레드를 지원하도록 SMT 프로세서 구조를 설계하였다. 사이클 당 이슈할 수 있는 최대 명령어 수는 8개이며, 명령어 캐쉬와 데이터 캐쉬는 32KB씩 가지도록 설계되었다.
  • 본 연구에서는 페치 스레드 선택 알고리즘, 명령어 페치 큐의 엔트리 수 사이클 당 최대로 페치할수 있는 명령어 수(fetch bandwidth)가 프로세서 성능에 주는 영향을 분석하도록 한다. 성능 평가를 위한 기준으로는 사이클 당 페치된 명령어 수(Fetched Instruction Per Cycle)와 프로세서 전체의 성능을 나타내는 IPC(Issued Instructions Per Cycle)를 사용한다.
  • 즉, 캐쉬 라인에 속하는 명령어들을 두 명령어씩 묶어서 그 안에 분기 명령이 있는가와 그분기 명령의 예측된 목적 주소가 어디인지에 관한 정보를 제공하는 것이다. 페치 단계에서 이 분기 예측 정보는 캐쉬의 명령어와 함께 읽혀지며, 페치를 수행할 때 페치된 명령어에 분기할 것으로 예측된 분기 명령이 존재하는 경우에는 그 명령까지만 페치 큐에 삽입하고 페치를 중단한다.
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참고문헌 (7)

  1. ARM, ARM Architecture Reference Manual, Part A CPU Architecture, 1996 

  2. Susan J. Eggers, Joel S. Emer, Henry M. Levy, Jack L. Lo, Rebecca L. Stamm, Dean M. Tullsen, 'SIMULTANEOUS MULTITHREADING: A Platform for Next-Generation Processors', September/October 1997 IEEE Micro, p.p. 12-19 

  3. D.M. Tullsen, S.J. Eggers, J.S. Emer, H.M. Levy, J.L. Lo, and R.L. Stannn, 'Exploiting Choice: Instruction Fetch and Issue on an Implementable Simultaneous Multithreading Processor,' Proc. 23rd Annual International Symposium on Computer Architecture, pp. 191-202, May 1996 

  4. H. Hirata, K. Kimura, S. Nagamme, Y. Mochizuki, A. Nishimura, Y. Nakase, and T. Nishizawa, 'An Elementary Processor Architecture with Simultaneous Instruction Issuing from Multiple Threads,' Proc. 19th Annual International Symposium on Computer Architecture, pp. 136-145, May 1992 

  5. Clearwater Networks, Inc. 'Introducing the CNP810 Farnily of Network Services Processors', http://www.clearwaternetworks.con/c1earwater_overview.pdf, June 2001 

  6. Mike Johnson, Superscalar Microprocessor Design, pp. 107-108, Prentice-Hall, Inc. 1991 

  7. ARM, ARM Developer Suit version 1.1, Compiler, Linker and Utilities Guide, 1999 

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