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自1995年Tullsen基于超标量处理器提出“同时多线程”技术以来,越来越多的研究人员开始关注和研究这一技术。同时多线程技术允许多个线程(逻辑处理器)同时共享一套执行部件,不仅避免了线程切换的开销,也更充分地发挥了处理器的能力。由于程序本身指令级并行性不足、编译器的能力以及诸多动态因素的影响,超长指令字处理器尚未发挥出全部潜力。将同时多线程技术引入超长指令字处理器为进一步提高处理器的性能提供了一条新的技术途径。本文主要对同时多线程超长指令字处理器的设计和优化进行深入研究,分析了超长指令字执行语义带来的两种时序约束,研究了突破这些时序约束的方法,并提出了同时多线程微体系结构MOSI;针对超长指令字体系结构在MOSI微体系结构下呈现出的弊端,提出了新的性能优化方法;解决了同时多线程处理器中线程性能难以预测的问题;实现了双线程超长指令字处理器原型。本文的主要研究成果和创新点包括:1.改进了Rudd等人为实现精确中断而提出的重放缓冲机制,降低了硬件开销。2.提出了基于超长指令字处理器的同时多线程微体系结构MOSI。MOSI突破了超长指令字执行语义带来的时序约束,不仅满足了同时多线程技术的基本要求,也降低了硬件的开销。3.在MOSI微体系结构框架下,针对编译器静态指定功能单元带来的弊端,提出了指令迁移技术。该技术通过硬件动态地自动平衡各功能单元的负载,减少了功能单元冲突,提高了处理器的吞吐率。4.基于MOSI微体系结构模型,针对取指流水中无效取指请求带来的程序Cache冲突问题,提出了一种非阻塞的流水线控制方式。通过减少取指单元载入无效指令的几率,提高了取指单元以及整个处理器的吞吐率。5.针对同时多线程处理器中线程性能难以预测的问题,提出了一种线程性能控制机制。通过不断调整资源分配,使得各线程的性能趋于预先定义的值。6.设计并实现了基于MOSI微体系结构的双线程超长指令字处理器原型YHFT-DSP/SMT00,并完成了逻辑综合、延时分析以及性能测试,给出了硬件开销、引入的延迟等参数。扣除延迟的影响,YHFT-DSP/SMT00的吞吐率提高了12-26%。本文的研究成果为在超长指令字处理器中实现同时多线程技术提供了可行的方案,对于进一步研究如何更好地利用该技术提高超长指令字处理器的实际性能具有重要的理论和实践意义。