面向SIMD扩展部件的循环优化研究

高性能微处理器中普遍采用SIMD向量扩展作为计算加速部件。在深入研究SIMD扩展部件数据依赖关系约束条件的基础上,提出一种基于依赖关系逆向图的Tarjan扩展算法,提高了SIMD并行性识别率,并结合传统向量化方法,实现了面向SIMD扩展部件的循环优化技术,消除了不可向量化语句对可向量化语句在数据重组中不必要的开销。实际程序测试结果显示,其在基于依赖关系的SIMD并行性判定方面优于ICC编译器,经过循环优化后,最终生成的SIMD代码其执行效率平均提高了12%。     

自动向量化中基于数据依赖分析的循环分布算法

循环分布是开发向量化程序的一个有效的方法。但是由于程序中的数据相关性,当前的自动向量化编译器实现完全的循环分布非常困难。因此,当前的自动向量化编译器一般采用简单的循环分布方法。以数据依赖关系分析为基础,从有无依赖环的角度分析了程序中语句的向量化能力,提出了基于语句向量化识别的循环分布算法,并在自动向量化中加以实现。通过此方法,可以充分地分析语句或依赖环的向量化能力,最终采用循环分布,将可向量化的语句与不可向量化的语句分布在不同的循环中。该方法可以处理当前的自动向量化编译器无法向量化的循环,对一些语句间有依赖关系的循环可达到较好的效果。     

基于跨基本块变换和循环分布的SLP优化技术

现有的SLP优化算法无法处理内层循环中存在的依赖环和归约,并且在基本块边界产生大量的冗余拆包和赋值语句,从而导致向量化效率不高.针对该问题,提出了一种基于跨基本块变换和循环分布的SLP优化算法.该算法以控制流图为基础,根据基本块间各数组变量的Define-Use关系以及跨越基本块之间的数据依赖关系进行跨基本块的向量化变换,有序地采用跨基本块变换和循环分布,尽可能发掘最内层循环基本块内语句的并行性,使SLP自动向量化编译器生成具有更多SIMD指令的向量化代码.实验结果表明,该算法能够隐藏更多跨基本块冗余操作的开销,同时利用跨基本决的数据依较生成更优的SIMD指令,有效地提高了向量化程序的加速比.     

软硬件协同循环优化方法的设计与实现

为了提升处理器执行循环的性能,降低循环开销,提出一种适用于多发射数字信号处理器(DSP)的软硬件协同循环优化方法.在对循环体量化分析的基础上,利用编译器进行循环标志指令的插入和循环开销指令的删除,并由新增的硬件专用循环单元根据循环标志指令携带的信息实现循环计数器的增减和取指地址的计算等功能,达到零开销循环的目的.在多发射DSP SuperV_EF01上的实验结果表明,应用文中方法后,指令周期数和汇编代码大小平均降低了20.94％和4.06％.     

Loop-Nest Auto-Vectorization Based on SLP

如今,越来越多的处理器集成了SIMD(single instruction multiple data)扩展,现有的编译器大多也实现了自动向量化的功能,但是一般都只针对最内层循环进行向量化,对于多重循环缺少一种通用、易行的向量化方法.为此,提出了一种面向SLP(supcrword level parallelism)的多重循环向量化方法,从外至内依次对各个循环层次进行分析,收集各层循环对应的一些影响向量化效果的属性值,主要包括能否对该循环进行直接循环展开和压紧、有多少数组引用相对于该循环索引连续以及该循环所包含的区域等,然后根据这些属性值决定在哪些循环层次进行直接循环展开和压紧,最后通过SLP对循环中的语句进行向量化.实验结果表明,该算法相对于内层循环向量化和简单的外层循环向量化平均加速比提升了2.13和1.41,对于一些常用的核心循环可以得到高达5.3的加速比.     

面向SLP 的多重循环向量化

如今,越来越多的处理器集成了SIMD(single instruction multiple data)扩展,现有的编译器大多也实现了自动向量化的功能,但是一般都只针对最内层循环进行向量化,对于多重循环缺少一种通用、易行的向量化方法.为此,提出了一种面向SLP(superword level parallelism)的多重循环向量化方法,从外至内依次对各个循环层次进行分析,收集各层循环对应的一些影响向量化效果的属性值,主要包括能否对该循环进行直接循环展开和压紧、有多少数组引用相对于该循环索引连续以及该循环所包含的区域等,然后根据这些属性值决定在哪些循环层次进行直接循环展开和压紧,最后通过SLP对循环中的语句进行向量化.实验结果表明,该算法相对于内层循环向量化和简单的外层循环向量化平均加速比提升了2.13和1.41,对于一些常用的核心循环可以得到高达5.3的加速比.     

使用代价分析的向量化循环分割技术

为了使循环在编译过程中更充分地被向量化,提出了一种基于代价分析的向量化循环分割技术。标记出了迭代依赖间隔中不存在依赖关系的循环片段,在此基础上建立一个简单有效的代价分析模型来评估这些循环片段向量化和未向量化的CPU时钟周期开销,最后从代价分析结果中确定是否需要将其向量化分割,从而把向量化特性应用到细短的循环片段。实验结果表明了该技术的有效性,对迭代依赖距离大的循环片段优化作用更明显。     

非正规化循环的单指令多数据向量化

针对非正规化循环的上下界、步长等循环信息不确定的问题,解决了循环条件为逻辑表达式、增量减量语句和do-while循环的正规化问题。对不能正规化的循环提出了一种展开压紧算法,并用超字并行向量化方法发掘展开压紧的结果。实验结果表明,与现有的非正规化循环的单指令多数据(SIMD)向量化方法相比,所提出的转换方法和展开压紧方法能够更好地发掘非正规化循环的向量化特性,生成代码的性能加速比提高了6%以上。     

一种改进的控制流SIMD向量化方法

SIMD扩展部件是近年来集成到通用处理器中的加速部件,旨在发掘多媒体和科学计算等程序的数据级并行.控制依赖给发掘程序中的数据级并行带来了阻碍,当前不论基于loop-based还是SLP的控制流向量化方法都需要if转换,而没有考虑循环内蕴含的向量并行度,导致生成的向量代码效率较低.此外不精确的代价模型指导控制流向量化,同样导致生成的向量代码效率较低.为此提出了改进的控制流SIMD向量化方法,首先提出了含有控制依赖的循环分布算法,分离循环的可向量化部分和不可向量化部分,同时考虑分布时数据的局部性;其次提出了一种直接向量化控制流的方法,该方法考虑了基本块间的向量重用;最后利用精确的代价模型指导超字选择指令和超字条件分支指令的生成.实验结果表明,与现有的控制流向量化方法相比,本文提出的改进方法生成的向量代码性能提高24%.     

类型转换语句的SLP发掘方法

多媒体技术的迅速发展使得越来越多的处理器集成了SIMD扩展,当前的编译器大多数都已实现了自动向量化功能。为了发掘迭代内并行,一些编译器在自动向量化模块中引入了SLP向量化方法。多媒体数据的密集存储和规则运算使得在处理多媒体数据时需要进行频繁的数据类型转换,而目前的SLP向量化方法对数据类型转换的处理能力还不完善。为了在存在大量数据类型转换语句的程序中发掘更多的SLP向量化机会,提出了一种类型转换语句的SLP发掘方法,它能够在SLP向量化框架下利用数据重组实现具有相同向量化因子和不同向量化因子的数据类型之间的转换。实验结果表明,该方法能够有效地对类型转换语句进行SLP向量化发掘,提高了程序的向量化执行效率。     

基于条件分类的控制流向量化

现代编译器越来越依赖SIMD指令来提高向量化性能,但控制流的复杂性严重阻碍了SIMD向量化的发掘。现有的控制流向量化方法对于单层控制流的向量化很有效,但对嵌套等复杂控制流无法取得令人满意的效果。因此,提出了一种基于条件分类的控制流向量化方法。该方法对条件为循环不变量的控制流,以层次遍历的顺序实施IF外提;对条件为循环变量的控制流,结合语句匹配和条件合并递归地进行IF转换,生成相应的SIMD指令,从而实现嵌套控制流的向量化。实验结果表明,该方法能够有效消除循环中的嵌套控制流,提高向量化发掘的能力, 有效提升 测试程序的性能。     

一种基于汇编代码的单重循环向量化方法

1 引言在微处理器设计中,开发指令级并行(ILP)以提高微处理器系统的性能受到了很大的限制。研究更大发射的超标量微处理器已经是一件极其复杂而没有意义的事。但是如果在开发指令级并行的同时,开发数据级并行,理论分析表明可以显著提高微处理器的性能,微处理器的等效IPC(每个时钟周期发射的指令条数)和超标量微处理器相比可以提高20～40多倍。因此,在微处理器系统设计中开发数据级并行具有重要的理论意义和实用价值。     

向量并行度指导的循环SIMD向量化方法

SIMD扩展部件是集成到通用处理器中的加速部件,旨在发掘多媒体和科学计算等领域程序的数据级并行.当前两种基本的向量发掘方法分别是发掘迭代间并行的Loop-based方法和发掘迭代内并行的SLP方法.Loop-aware方法是对SLP方法的改进,其思想是首先通过循环展开将迭代间并行转换为迭代内并行,使循环体内的同构语句条数足够多,再利用SLP方法进行向量发掘.但当循环展开不合法或者并行度低于向量化因子时,Loop-aware方法无法实现程序向量并行性的发掘.因此提出了向量并行度指导的循环向量化方法,依据迭代间并行度、迭代内并行度和向量化因子,构建循环向量化方法选择方案,同时提出不充分向量化方法发掘并行度低于向量化因子的循环向量并行性,最后依据向量并行度对生成的向量循环进行展开.经过标准测试集测试,向量并行度指导的循环SIMD向量化方法比Loop-aware方法识别率提升107.5%,性能提升12.1%.     

Detection of control loop interactions and prioritization of control loop maintenance

Chemical processes with multiloop control configurations have significant amount of control loop interactions due to tight mass and heat integration. Change in set point and/or controller parameters of one control loop may affect the variables of other loops. The presence of loop interactions in a process plant can cause significant quality and production losses of the plant. It is challenging to measure the degree of interaction between control loops and rank the loops according to the extent of interactions. This paper presents two data driven techniques to quantify control loop interactions and rank the loops according to their importance. In the first approach, a novel method based on canonical correlation analysis has been developed to calculate interaction among the loops and then normalization is done with respect to the maximum canonical correlation to determine the rank of the loops. In another approach, two indices have been developed using integral of absolute or squared error criteria to quantify loop interaction and determine rank of the loops. Both methods require step test data of the plant. Simulation and experimental results show the validity and efficacy of the proposed methods.     

用于含过程调用DO循环的循环嵌入方法

循环是程序中蕴含并行性最为丰富的一种结构，因此成为并行化编译最主要的对象．但循环内的过程调用严重妨碍了循环的数据相关性分析，使得循环语句潜在的大量并行性得不到开发．本文提出的循环嵌入方法使部分含过程调用循环语句的并行化成为可能，对部分用其它过程间分析技术也能开发其并行性的这一类循环语句采用循环嵌入方法，并行化开销低，并且分析更精确．采用循环嵌入方法还可降低程序由于多次过程调用带来的调度开销．这一方法在作者开发的自动并行化编译系统AFT（automaticPortrantransformer）中得到了实现，对Spec92测试程序包的试验结果表明了本文提出的方法是行之有效的．