Survey on Combinatorial Register Allocation and Instruction Scheduling

Register allocation (mapping variables to processor registers or memory) and instruction scheduling (reordering instructions to increase instruction-level parallelism) are essential tasks for generating efficient assembly code in a compiler. In the last three decades, combinatorial optimization has emerged as an alternative to traditional, heuristic algorithms for these two tasks. Combinatorial optimization approaches can deliver optimal solutions according to a model, can precisely capture trade-offs between conflicting decisions, and are more flexible at the expense of increased compilation time. This paper provides an exhaustive literature review and a classification of combinatorial optimization approaches to register allocation and instruction scheduling, with a focus on the techniques that are most applied in this context: integer programming, constraint programming, partitioned Boolean quadratic programming, and enumeration. Researchers in compilers and combinatorial optimization can benefit from identifying developments, trends, and challenges in the area; compiler practitioners may discern opportunities and grasp the potential benefit of applying combinatorial optimization

Virtual cluster scheduling through the scheduling graph

This paper presents an instruction scheduling and cluster assignment approach for clustered processors. The proposed technique makes use of a novel representation named the scheduling graph which describes all possible schedules. A powerful deduction process is applied to this graph, reducing at each step the set of possible schedules. In contrast to traditional list scheduling techniques, the proposed scheme tries to establish relations among instructions rather than assigning each instruction to a particular cycle. The main advantage is that wrong or poor schedules can be anticipated and discarded earlier. In addition, cluster assignment of instructions is performed using another novel concept called virtual clusters, which define sets of instructions that must execute in the same cluster. These clusters are managed during the deduction process to identify incompatibilities among instructions. The mapping of virtual to physical clusters is postponed until the scheduling of the instructions has finalized. The advantages this novel approach features include: (1) accurate scheduling information when assigning, and, (2) accurate information of the cluster assignment constraints imposed by scheduling decisions. We have implemented and evaluated the proposed scheme with superblocks extracted from Speclnt95 and MediaBench. The results show that this approach produces better schedules than the previous state-of-the-art. Speed-ups are up to 15%, with average speed-ups ranging from 2.5% (2-Clusters) to 9.5% (4-Clusters).Peer ReviewedPostprint (published version

Enabling Cross-Event Optimization in Discrete-Event Simulation Through Compile-Time Event Batching

A discrete-event simulation (DES) involves the execution of a sequence of event handlers dynamically scheduled at runtime. As a consequence, a priori knowledge of the control flow of the overall simulation program is limited. In particular, powerful optimizations supported by modern compilers can only be applied on the scope of individual event handlers, which frequently involve only a few lines of code. We propose a method that extends the scope for compiler optimizations in discrete-event simulations by generating batches of multiple events that are subjected to compiler optimizations as contiguous procedures. A runtime mechanism executes suitable batches at negligible overhead. Our method does not require any compiler extensions and introduces only minor additional effort during model development. The feasibility and potential performance gains of the approach are illustrated on the example of an idealized proof-ofconcept model. We believe that the applicability of the approach extends to general event-driven programs

On the Near-Optimality of List Scheduling Heuristics for Local and Global Instruction Scheduling

Modern architectures allow multiple instructions to be issued at once and have other complex features. To account for this, compilers perform instruction scheduling after generating the output code. The instruction scheduling problem is to find an optimal schedule given the limitations and capabilities of the architecture. While this can be done optimally, a greedy algorithm known as list scheduling is used in practice in most production compilers. List scheduling is generally regarded as being near-optimal in practice, provided a good choice of heuristic is used. However, previous work comparing a list scheduler against an optimal scheduler either makes the assumption that an idealized architectural model is being used or uses too few test cases to strongly prove or disprove the assumed near-optimality of list scheduling. It remains an open question whether or not list scheduling performs well when scheduling for a realistic architectural model. Using constraint programming, we developed an efficient optimal scheduler capable of scheduling even very large blocks within a popular benchmark suite in a reasonable amount of time. I improved the architectural model and optimal scheduler by allowing for an issue width not equal to the number of functional units, instructions that monopolize the processor for one cycle, and non-fully pipelined instructions. I then evaluated the performance of list scheduling for this more realistic architectural model. I found that when scheduling for basic blocks when using a realistic architectural model, only 6% or less of schedules produced by a list scheduler are non-optimal, but when scheduling for superblocks, at least 40% of schedules produced by a list scheduler are non-optimal. Furthermore, when the list scheduler and optimal scheduler differed, the optimal scheduler was able to improve schedule cost by at least 5% on average, realizing maximum improvements of 82%. This suggests that list scheduling is only a viable solution in practice when scheduling basic blocks. When scheduling superblocks, the advantage of using a list scheduler is its speed, not the quality of schedules produced, and other alternatives to list scheduling should be considered

Customizing the Computation Capabilities of Microprocessors.

Designers of microprocessor-based systems must constantly improve performance and increase computational efficiency in their designs to create value. To this end, it is increasingly common to see computation accelerators in general-purpose processor designs. Computation accelerators collapse portions of an application's dataflow graph, reducing the critical path of computations, easing the burden on processor resources, and reducing energy consumption in systems. There are many problems associated with adding accelerators to microprocessors, though. Design of accelerators, architectural integration, and software support all present major challenges. This dissertation tackles these challenges in the context of accelerators targeting acyclic and cyclic patterns of computation. First, a technique to identify critical computation subgraphs within an application set is presented. This technique is hardware-cognizant and effectively generates a set of instruction set extensions given a domain of target applications. Next, several general-purpose accelerator structures are quantitatively designed using critical subgraph analysis for a broad application set. The next challenge is architectural integration of accelerators. Traditionally, software invokes accelerators by statically encoding new instructions into the application binary. This is incredibly costly, though, requiring many portions of hardware and software to be redesigned. This dissertation develops strategies to utilize accelerators, without changing the instruction set. In the proposed approach, the microarchitecture translates applications at run-time, replacing computation subgraphs with microcode to utilize accelerators. We explore the tradeoffs in performing difficult aspects of the translation at compile-time, while retaining run-time replacement. This culminates in a simple microarchitectural interface that supports a plug-and-play model for integrating accelerators into a pre-designed microprocessor. Software support is the last challenge in dealing with computation accelerators. The primary issue is difficulty in generating high-quality code utilizing accelerators. Hand-written assembly code is standard in industry, and if compiler support does exist, simple greedy algorithms are common. In this work, we investigate more thorough techniques for compiling for computation accelerators. Where greedy heuristics only explore one possible solution, the techniques in this dissertation explore the entire design space, when possible. Intelligent pruning methods ensure that compilation is both tractable and scalable.Ph.D.Computer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/57633/2/ntclark_1.pd

Contributions to worst-case execution time reduction using compilation techniques

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2017Abstract: A wide range of systems are distinct from the general purpose computingsystems due to the need of satisfying rigorous timing requirements, oftenunder the constraint of available resources, they are generally called realtimesystems. The development of a predictable system is concerned withthe challenges of building systems whose time requirements can be guaranteeda priori. Although, these challenges become even greater when usingprocessors architectural features for performance increase, as cachesand pipelines, which introduce a high degree of uncertainty, making difficultto provide any kind of guarantee. Parallel to this, there are the toolsneeded to develop and execute an application, such as languages, compilers,runtime support, communication systems and scheduling, which mayfurther make difficult the assertion of guarantees. In these systems, theresults of computations must be generated at the right time and faults oftemporal nature can result in catastrophic consequences both in the economicsense as in human lives. These systems are present in countlessapplications, such as in industrial plants, aviation, and the complexity ofthem imposes serious restrictions on the hardware that can be used. Toprovide timing guarantees, we must know the worst-case execution timefor each tasks of the system. In a general purpose architecture aimed atthe average case, the execution time of a program or task can be so greatin the worst case that invalidates the design constraints, or even be impossibleto be calculated or estimated with a reasonable effort. In thisthesis, we integrate compilation with WCET calculation. A compiler canprovide relevant data to facilitate the process of WCET estimation. Toimprove this process, we also use an architecture whose purpose is toconciliate performance with determinism. Considering compilation andWCET integration we present the following contributions: (1) a differentway to perform loop unrolling on data-dependent loops using codepredication targeting WCET reduction, because existing techniques onlyconsider loops with fixed execution counts. (2) considering static branchpredication techniques, we show that a very small gain or even none canbe obtained with new optimization techniques targeted to worst-case executiontime reduction. To achieve this objective, we compare several techniquesagainst the perfect branch predictor. (3) the difference between theWCET of a task and its actual execution time is called gain time. Wepropose a technique that finds specific points of a program (called gainpoints), where there will be an amount of statically estimated gain time inthe case that path is taken by the execution.Uma grande gama de sistemas se distinguem dos sistemas de computaçãode propósito geral pela necessidade de satisfação de requisitos detemporização rigorosos. O desenvolvimento de um sistema previsível preocupasecom os desafios de construção de sistemas cujos requisitos temporais possamser garantidos a priori. Estes desafios tornam-se ainda maiores quandose utiliza recursos arquiteturais para aumento de performance, como cachese pipelines, os quais introduzem um alto grau de incertezas, tornando difícilo provimento de qualquer tipo de garantia. Paralelamente a isto, existem asferramentas necessárias ao desenvolvimento e execução da aplicação, comolinguagens, compiladores, runtime de execução, sistemas de comunicação eescalonamento, os quais podem dificultar ainda mais a asserção de garantias.Nestes sistemas, os resultados das computações devem estar corretosnão somente do ponto de vista lógico, mas também devem ser gerados nomomento correto. As falhas de natureza temporal nestes sistemas são, emalguns casos, consideradas críticas no que diz respeito às suas consequências.Nos sistemas tempo real críticos (hard real-time) o não atendimento de umrequisito temporal pode resultar em consequências catastróficas tanto no sentidoeconômico quanto em vidas humanas. Quando os requisitos temporaisnão são críticos (soft real-time) eles apenas descrevem o comportamento desejado.O não atendimento de tais requisitos reduz a utilidade da aplicaçãomas não a elimina completamente nem resulta em consequências catastróficas.Estes sistemas estão presentes em diversas aplicações, como em plantasindustriais, aviação e eletrônica automotiva, telecomunicações e sistemasespaciais. Em várias destas aplicações, a complexidade dos sistemas de softwareimpõe sérias restrições quanto ao hardware que poderá ser utilizado.Este deverá ter capacidade suficiente para sustentar a aplicação em questão,além de poder estar submetido a restrições não funcionais do projeto, comocusto e eficiência energética.Arquiteturas modernas e de propósito geral possuem como premissabásica aquela que diz que os programas devem executar o mais rápido possívelna maioria das vezes. Este tempo médio é geralmente chamado deACET - Average-case Execution Time. Entretanto, em alguns casos, o tempode uma execução de uma aplicação poderá ser grande em relação ao caso médio,mas ainda estará amortizado entre as diversas execuções do programa.Esta priorização de caso médio impõe certas problemáticas quanto à utilizaçãodeste tipo de arquitetura em sistemas de tempo real. Tais sistemas podemexigir garantias de tempo de execução difíceis de serem obtidas ou muitasvezes inviáveis. Estas garantias exigem o conhecimento do pior tempo deexecução de um programa ou tarefa em um determinado processador, o qualgeralmente é chamado de WCET - Worst-case Execution Time. Em uma arquiteturade propósito geral que vise o caso médio, o tempo de execução nopior caso de um programa ou tarefa pode ser tão grande que inviabilize asrestrições de projeto, ou mesmo ser impossível de ser estimado.Atualmente, existem vertentes acadêmicas que sugerem a utilização deprocessadores e arquiteturas voltadas para aplicações de tempo real. Taisarquiteturas adotam características de hardware que tornam as análises referentesà obtenção de WCET mais simples e rápidas.Uma característica importante é que o desempenho em arquiteturas específicas,como as voltadas para tempo real, pode estar intimamente relacionadoao compilador e as técnicas de compilação empregadas, como exploraçãoestática de paralelismo. Dada a possibilidade de ser obter o WCET deprogramas para uma arquitetura específica, pode-se utilizar estas informaçõesno processo de otimização incremental dos mesmos. Estas otimizações visama redução do WCET, visto que abordagens tradicionais de transformação decódigo feitas por compilador podem até mesmo aumentar o WCET de umprograma.ObjetivosO objetivo deste trabalho é contribuir com aspectos relacionados à compilaçãopara sistemas de tempo real, cujo objetivo primário seja a reduçãode WCET ou melhoria de aspectos relacionados à escalonabilidade. A tesea ser demonstrada é que o íntimo acoplamento de um compilador com umanalisador WCET pode beneficiar tanto a análise quanto a síntese de um programaexecutável ou sistema completo para uma arquitetura determinista. Autilização de uma arquitetura determinista representa uma característica importantedeste trabalho, bem como o desenvolvimento do respectivo analisadorWCET.Dentre os elementos relacionados ao compilador essenciais para a reduçãodo WCET, pode-se citar: Mecanismos para o cálculo de WCET de programas em processo decompilação. Isto implica acoplamento do compilador com o analisadordesenvolvido. Identificação de potenciais pontos a serem beneficiados por otimizações.Este processo envolve interpretação dos resultados do analisador. Descarte de alterações de códigos que aumentem o WCET. Novamente,decisões deverão ser tomadas com base em análises sucessivas.Além dos elementos relacionados, podemos destacar a eficiência doprocesso. O uso de uma arquitetura projetada para aplicações em tempo realpermite o uso de um analisador muito mais rápido e preciso, que visa trazereficiência ao processo. Embora a arquitetura se baseie em um ISA comercial,não existe compilador livre disponível para esta, então, a implementação deum gerador de código inteiramente funcional fez-se necessária como requisitopara realização do trabalho de tese.Entre os elementos considerados como foco desta tese, têm-se: Técnicas de loop unrolling: Laços são frequentemente bons candidatosalvopara otimizações de compilação para extrair o desempenho emprocessadores modernos. Algumas técnicas foram propostas na literaturapara alcançar a redução do WCET usando o loop unrolling, comoem (ZHAO et al., 2006) e (LOKUCIEJEWSKI; MARWEDEL, 2010).Nestes trabalhos, apenas os laços com contagens de execução fixas sãoconsiderados. Previsão estática de desvios: Previsores de desvio são utilizados paraaumentar o desempenho de programas em arquiteturas modernas. Previsoresestáticos podem depender do compilador para definir o comportamentode cada desvio condicional. Esse comportamento é entãoadotado pelo processador para toda a execução do programa. O uso daprevisão estática de desvio como mecanismo para redução do tempo deexecução de pior caso é uma alternativa conhecida e foi primeiramenteproposta por (BODIN; PUAUT, 2005) e (BURGUIERE et al., 2005). Identificação de tempo ganho em programas: Tempo ganho (ou gaintime) (AUDSLEY et al., 1994) (AVILA et al., 2003) (HU et al., 2002)(HU et al., 2003) é a diferença entre o WCET de uma tarefa e o tempode execução real. Uma abordagem comum é identificar o gain timeem tempo de execução comparando o tempo de execução real (medido)com o WCET calculado estaticamente. A identificação do tempo deganho precoce é útil para aumentar a utilização do sistema em tempo deexecução e para economizar energia do sistema, por exemplo.Alcançar a redução do pior tempo de computação em tarefas que compõemum sistema de tempo real é importante pois permite que recursos computacionaisnão sejam desperdiçados, impactando diretamente no custo. Outraimportância para tal redução é a aceitação de tarefas do tipo soft real-time,pois quanto menor o WCET das tarefas do tipo hard, mais tempo de processadorpode ser alocado para este tipo de tarefa.ContribuiçõesAs contribuições desta tese para o estado da arte são:1. A proposição de uma maneira diferente de executar o loop unrollingsobre laços cujas execuções são dependentes de dados usando a predicaçãode código visando redução de WCET, porque as técnicas existentesconsideram apenas laços com contagens de execução fixas. A técnicaproposta também foi combinada com abordagens de loop unrollingexistentes. Os resultados mostraram que esta combinação pode produziragressivas reduções de WCET quando comparadas com o códigooriginal.2. Em relação às técnicas de predição estática de desvios, são mostradosque somente ganhos pequenos ou mesmo nenhum ganho pode ser obtidocom novas técnicas de otimização direcionadas para a redução do tempode execução do pior caso. Para alcançar esse objetivo, foram comparadasvárias técnicas contra o previsor de desvio perfeito. Este previsorpermite estimar a redução máxima de WCET que pode ser obtida comabordagens estáticas. Além da técnica clássica da literatura, foi incluídana comparação uma nova técnica centrada em WCET que atua comouma abordagem de força bruta para aproximar os resultados do preditorperfeito. A comparação também inclui técnicas de compilação nãodiretamente orientadas para redução de WCET. Como resultado, sãomostradas que as técnicas consideradas nesta tese estão próximas do resultadoótimo obtido pelo previsor perfeito. Também é mostrado quea técnica proposta produz resultados ligeiramente melhores do que asdemais técnicas. Como contribuição secundária, é mostrado que as técnicasinconscientes de WCET também podem ser usadas em ambientesem tempo real porque apresentam bons resultados e baixa complexidade.As técnicas de previsão foram avaliadas usando um conjunto deexemplos dos benchmarks para WCET de Mälardalen.3. Um problema do WCET é que ele é relativo a um único caminho de execução,especificamente o caminho de execução do pior caso (WCEP).Quando uma aplicação em tempo real executa sobre um caminho diferentedo WCEP, seu tempo de execução será provavelmente menor doque o WCET. A diferença entre o WCET de uma tarefa e seu tempo deexecução real é chamado de tempo ganho. Neste trabalho, é propostauma técnica que encontra pontos específicos de um programa (chamadospontos de ganho), onde haverá uma quantidade de tempo ganhoestimado estaticamente no caso de esse caminho ser tomado pela execução.Como estudo de caso, é apresentado o tempo ganho obtido pelaaplicação estratégia proposta a um benchmark da série de benchmarkspara WCET de Mälardalen. Para o benchmark selecionado, foram identificadosvários pontos de ganho e alguns deles com uma quantidadesignificativa de tempo ganho detectado estaticamente.ConclusãoSistemas de tempo real estão presentes em diversos segmentos da indústria,desde sistemas aviônicos a eletrônica automotiva, passando por sistemasindustriais. No passado, tais sistemas eram bastante simples, considerandoa demanda por recursos computacionais e interdependência entretarefas. Porém hoje o cenário é outro: têm-se aplicações com altíssimo nívelde complexidade, por vezes geradas sem intervenção humana a partir de modelosformais. Cada tarefa componente destas aplicações possui seu próprioprazo e por vezes depende de resultados provenientes de outras tarefas (possivelmenteatravés de uma rede), levando a necessidade de estimativa tambémde prazos fim-a-fim.Levantado o cenário anterior, percebe-se que processadores simples,como microcontroladores, não são capazes de atender aplicações de temporeal como atendiam no passado. Neste caso, torna-se necessária a utilizaçãode processadores com maior capacidade computacional, com mecanismos deaumento desempenho, como pipelines, caches e execução especulativa. Oproblema com estes mecanismos é a dificuldade de cálculo do pior caso notempo de computação, devido a fatores como anomalias temporais. Entretanto,algumas vertentes da literatura sugerem o uso de arquiteturas voltadaspara tempo-real, ou seja, deterministas.Neste trabalho, foi objetivada a geração e otimização de código parauma arquitetura determinista mas com mecanismos de aumento de performance.O objetivo primário foi a redução de WCET de programas, bemcomo o levantamento de alguns parâmetros úteis no projeto de um sistemade tempo real. A redução de WCET importante para não sobre-dimensionarsistemas, não desperdiçando assim, recursos computacionais. A utilizaçãode uma arquitetura determinista aliada a redução de WCET induz a sistemasbem dimensionados em termos de recursos.Usando técnicas como loop unrolling usando predicação de código eprevisão estática de desvios, foi possível reduzir o pior caso no tempo decomputação de tarefas. A caracterização de tempo ganho, do ponto de vistapuramente estático, também pôde ser alcançada neste trabalho

ASAM : Automatic Architecture Synthesis and Application Mapping; dl. 3.2: Instruction set synthesis

No abstract

Design methodologies for instruction-set extensible processors

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Characterization and Avoidance of Critical Pipeline Structures in Aggressive Superscalar Processors

In recent years, with only small fractions of modern processors now accessible in a single cycle, computer architects constantly fight against propagation issues across the die. Unfortunately this trend continues to shift inward, and now the even most internal features of the pipeline are designed around communication, not computation. To address the inward creep of this constraint, this work focuses on the characterization of communication within the pipeline itself, architectural techniques to avoid it when possible, and layout co-design for early detection of problems. I present work in creating a novel detection tool for common case operand movement which can rapidly characterize an applications dataflow patterns. The results produced are suitable for exploitation as a small number of patterns can describe a significant portion of modern applications. Work on dynamic dependence collapsing takes the observations from the pattern results and shows how certain groups of operations can be dynamically grouped, avoiding unnecessary communication between individual instructions. This technique also amplifies the efficiency of pipeline data structures such as the reorder buffer, increasing both IPC and frequency. I also identify the same sets of collapsible instructions at compile time, producing the same benefits with minimal hardware complexity. This technique is also done in a backward compatible manner as the groups are exposed by simple reordering of the binarys instructions. I present aggressive pipelining approaches for these resources which avoids the critical timing often presumed necessary in aggressive superscalar processors. As these structures are designed for the worst case, pipelining them can produce greater frequency benefit than IPC loss. I also use the observation that the dynamic issue order for instructions in aggressive superscalar processors is predictable. Thus, a hardware mechanism is introduced for caching the wakeup order for groups of instructions efficiently. These wakeup vectors are then used to speculatively schedule instructions, avoiding the dynamic scheduling when it is not necessary. Finally, I present a novel approach to fast and high-quality chip layout. By allowing architects to quickly evaluate what if scenarios during early high-level design, chip designs are less likely to encounter implementation problems later in the process.Ph.D.Committee Chair: Scott Wills; Committee Member: David Schimmel; Committee Member: Gabriel Loh; Committee Member: Hsien-Hsin Lee; Committee Member: Yorai Ward