The Vector-Thread Architecture（2004）

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The Vector-Thread Architecture（2004）

1. 向量-线程（VT）体系结构支持向量和多线程的无缝集成，从而灵活而紧凑的编码应用程序的并行性和局部性，能够提供高性能的同时，保证了低功耗和小面积

   • VT简洁地编码了大量的结构化并行，以一种简单的微架构，通过避免复杂的控制和数据通路，同时减少了长导线上的活动，降低了功耗，并且获得了高性能

2. 嵌入式计算领域的问题：

   • 应用越来越复杂，对高性能，低功耗信息处理的需求也在增长
   • 定制电路很适合，但是不断增加的掩模和开发成本使其不适合在小规模的领域使用。同时固定的设计，不适合不断变化的要求
   • 多种特定领域的可编程处理器的异构混合的问题在于难以编程，并且当负载不均衡时，效率低下
   • 通用处理器虽然灵活，但是过于复杂，并且性能不够高或者是功耗太大。现代超标量处理器主要从非结构化应用的顺序编码中获取并行性，但是嵌入式应用通常包含丰富的结构化并行性，其中的依赖关系也可以在静态时确定。

3. VT的抽象模型

   • VT的编程模型结合了向量和多线程计算
   • 将传统的控制处理器和虚拟处理器（VPs）向量相结合
   • 虚拟处理器VP包含一组寄存器，可以执行一组封装在原子指令块（AIB）中的类RISC指令
   • VPs不包括PC或者其它隐式的取指机制，所有的指令块都由CP/VP本身显式的请求
   • VT尤其擅长于执行循环，每个VP执行循环中的一次，CP会剥离循环，进行控制
     • CP使用向量取指指令将AIBs广播到所有的VPs，同时CP可以使用向量load/store指令来高效的完成数据在内存和VP寄存器之间的移动
     • 当循环之间有依赖关系时，VPs以单向环形拓扑结构连接，通过发送和接收指令对数据进行传输
     • 当循环带有条件指令，甚至内部循环时，每个VP使用线程的形式来获取自身的AIB，并且指导自己的控制流，自主执行
   • VPs除了执行循环迭代，还可以执行自由运行的线程，独立于CP进行操作，并且可以从共享的工作队列中检索任务
     
     

4. VT的物理模型

   • 组成：一个传统的控制处理器+一个VT单元（VTU），用于执行VP代码。一个VTU中包括一组可以并行处理器的lanes。每个lane包括物理寄存器（用于保存映射到lane的VPs的状态）+功能单元（被VPs分时复用）
   • VTU中每个lane相互独立执行，拥有自己的小的AIB cache。每个lane还包括一个命令管理单元CMU，将来自CP的命令还在一个队列中（cmd-Q），同时保存着每个VP的线程挂起时，取指的地址。
   • CMU选择vector-fetch/thread-fetch命令执行，同时在AIB的cache tags中查找地址。如果命中了cache，CMU发送一条包括索引的指令到AIB cache。对于vector-fetch指令，所有的VPs都需要执行AIB中指令；对于thread-fetch指令，只有一个VP需要指令AIB中指令。
   • CMU会将执行指令发送到一个队列中，从而将cache过程和执行过程解耦，实现重叠执行
   • 执行过程：从AIB cache中，一条一条的读取指令，然后为正确的VP执行。当执行指令是在vector fetch指令之后的，则当前VP会执行AIB中的所有指令，在转移到另一个VP之前
     

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