Compiler Optimization Effects on Register Collisions

We often want a compiler to generate executable code that runs as fast as possible. One consideration toward this goal is to keep values in fast registers to limit the number of slower memory accesses that occur. When there are not enough physical registers available for use, values are ``spilled\u27\u27 to the runtime stack. The need for spills is discovered during register allocation wherein values in use are mapped to physical registers. One factor in the efficacy of register allocation is the number of values in use at one time (register collisions). Register collision is affected by compiler optimizations that take place before register allocation. Though the main purpose of compiler optimizations is to make the overall code better and faster, some optimizations can actually increase register collisions. This may force the register allocation process to spill. This thesis studies the effects of different compiler optimizations on register collisions

A Graph-Based Higher-Order Intermediate Representation

Abstract Many modern programming languages support both imperative and functional idioms. However, state-of-the-art imperative intermediate representations (IRs) cannot natively represent crucial functional concepts (like higher-order functions). On the other hand, functional IRs employ an explicit scope nesting, which is cumbersome to maintain across certain transformations. In this paper we present Thorin: a higher-order, functional IR based on continuation-passing style that abandons explicit scope nesting in favor of a dependency graph. This makes Thorin an attractive IR for both imperative as well as functional languages. Furthermore, we present a novel program transformation to eliminate the overhead caused by higherorder functions. The main component of this transformation is lambda mangling: an important transformation primitive in Thorin. We demonstrate that lambda mangling subsumes many classic program transformations like tail-recursion elimination, loop unrolling or (partial) inlining. In our experiments we show that higher-order programs translated with Thorin are consistently as fast as C programs

Resource-aware Programming in a High-level Language - Improved performance with manageable effort on clustered MPSoCs

Bis 2001 bedeutete Moores und Dennards Gesetz eine Verdoppelung der Ausführungszeit alle 18 Monate durch verbesserte CPUs. Heute ist Nebenläufigkeit das dominante Mittel zur Beschleunigung von Supercomputern bis zu mobilen Geräten. Allerdings behindern neuere Phänomene wie "Dark Silicon" zunehmend eine weitere Beschleunigung durch Hardware. Um weitere Beschleunigung zu erreichen muss sich auch die Soft­ware mehr ihrer Hardware Resourcen gewahr werden. Verbunden mit diesem Phänomen ist eine immer heterogenere Hardware. Supercomputer integrieren Beschleuniger wie GPUs. Mobile SoCs (bspw. Smartphones) integrieren immer mehr Fähigkeiten. Spezialhardware auszunutzen ist eine bekannte Methode, um den Energieverbrauch zu senken, was ein weiterer wichtiger Aspekt ist, welcher mit der reinen Geschwindigkeit abgewogen werde muss. Zum Beispiel werden Supercomputer auch nach "Performance pro Watt" bewertet. Zur Zeit sind systemnahe low-level Programmierer es gewohnt über Hardware nachzudenken, während der gemeine high-level Programmierer es vorzieht von der Plattform möglichst zu abstrahieren (bspw. Cloud). "High-level" bedeutet nicht, dass Hardware irrelevant ist, sondern dass sie abstrahiert werden kann. Falls Sie eine Java-Anwendung für Android entwickeln, kann der Akku ein wichtiger Aspekt sein. Irgendwann müssen aber auch Hochsprachen resourcengewahr werden, um Geschwindigkeit oder Energieverbrauch zu verbessern. Innerhalb des Transregio "Invasive Computing" habe ich an diesen Problemen gearbeitet. In meiner Dissertation stelle ich ein Framework vor, mit dem man Hochsprachenanwendungen resourcengewahr machen kann, um so die Leistung zu verbessern. Das könnte beispielsweise erhöhte Effizienz oder schnellerer Ausführung für das System als Ganzes bringen. Ein Kerngedanke dabei ist, dass Anwendungen sich nicht selbst optimieren. Stattdessen geben sie alle Informationen an das Betriebssystem. Das Betriebssystem hat eine globale Sicht und trifft Entscheidungen über die Resourcen. Diesen Prozess nennen wir "Invasion". Die Aufgabe der Anwendung ist es, sich an diese Entscheidungen anzupassen, aber nicht selbst welche zu fällen. Die Herausforderung besteht darin eine Sprache zu definieren, mit der Anwendungen Resourcenbedingungen und Leistungsinformationen kommunizieren. So eine Sprache muss ausdrucksstark genug für komplexe Informationen, erweiterbar für neue Resourcentypen, und angenehm für den Programmierer sein. Die zentralen Beiträge dieser Dissertation sind: Ein theoretisches Modell der Resourcen-Verwaltung, um die Essenz des resourcengewahren Frameworks zu beschreiben, die Korrektheit der Entscheidungen des Betriebssystems bezüglich der Bedingungen einer Anwendung zu begründen und zum Beweis meiner Thesen von Effizienz und Beschleunigung in der Theorie. Ein Framework und eine Übersetzungspfad resourcengewahrer Programmierung für die Hochsprache X10. Zur Bewertung des Ansatzes haben wir Anwendungen aus dem High Performance Computing implementiert. Eine Beschleunigung von 5x konnte gemessen werden. Ein Speicherkonsistenzmodell für die X10 Programmiersprache, da dies ein notwendiger Schritt zu einer formalen Semantik ist, die das theoretische Modell und die konkrete Implementierung verknüpft. Zusammengefasst zeige ich, dass resourcengewahre Programmierung in Hoch\-sprachen auf zukünftigen Architekturen mit vielen Kernen mit vertretbarem Aufwand machbar ist und die Leistung verbessert

Language Support for Programming High-Performance Code

Nowadays, the computing landscape is becoming increasingly heterogeneous and this trend is currently showing no signs of turning around. In particular, hardware becomes more and more specialized and exhibits different forms of parallelism. For performance-critical codes it is indispensable to address hardware-specific peculiarities. Because of the halting problem, however, it is unrealistic to assume that a program implemented in a general-purpose programming language can be fully automatically compiled to such specialized hardware while still delivering peak performance. One form of parallelism is single instruction, multiple data (SIMD). Part I of this thesis presents Sierra: an extension for C ++ that facilitates portable and effective SIMD programming. Part II discusses AnyDSL. This framework allows to embed a so-called domain-specific language (DSL) into a host language. On the one hand, a DSL offers the application developer a convenient interface; on the other hand, a DSL can perform domain-specific optimizations and effectively map DSL constructs to various architectures. In order to implement a DSL, one usually has to write or modify a compiler. With AnyDSL though, the DSL constructs are directly implemented in the host language while a partial evaluator removes any abstractions that are required in the implementation of the DSL.Die Rechnerlandschaft wird heutzutage immer heterogener und derzeit ist keine Trendwende in Sicht. Insbesondere wird die Hardware immer spezialisierter und weist verschiedene Formen der Parallelität auf. Für performante Programme ist es unabdingbar, hardwarespezifische Eigenheiten zu adressieren. Wegen des Halteproblems ist es allerdings unrealistisch anzunehmen, dass ein Programm, das in einer universell einsetzbaren Programmiersprache implementiert ist, vollautomatisch auf solche spezialisierte Hardware übersetzt werden kann und dabei noch Spitzenleistung erzielt. Eine Form der Parallelität ist „single instruction, multiple data (SIMD)“. Teil I dieser Arbeit stellt Sierra vor: eine Erweiterung für C++, die portable und effektive SIMD-Programmierung unterstützt. Teil II behandelt AnyDSL. Dieses Rahmenwerk ermöglicht es, eine sogenannte domänenspezifische Sprache (DSL) in eine Gastsprache einzubetten. Auf der einen Seite bietet eine DSL dem Anwendungsentwickler eine komfortable Schnittstelle; auf der anderen Seiten kann eine DSL domänenspezifische Optimierungen durchführen und DSL-Konstrukte effektiv auf verschiedene Architekturen abbilden. Um eine DSL zu implementieren, muss man gewöhnlich einen Compiler schreiben oder modifizieren. In AnyDSL werden die DSL-Konstrukte jedoch direkt in der Gastsprache implementiert und ein partieller Auswerter entfernt jegliche Abstraktionen, die in der Implementierung der DSL benötigt werden

Waddle - Always-canonical Intermediate Representation

Program transformations that are able to rely on the presence of canonical properties of the program undergoing optimization can be written to be more robust and efficient than an equivalent but generalized transformation that also handles non-canonical programs. If a canonical property is required but broken earlier in an earlier transformation, it must be rebuilt (often from scratch). This additional work can be a dominating factor in compilation time when many transformations are applied over large programs. This dissertation introduces a methodology for constructing program transformations so that the program remains in an always-canonical form as the program is mutated, making only local changes to restore broken properties

Aspects of Code Generation and Data Transfer Techniques for Modern Parallel Architectures

Im Bereich der Prozessorarchitekturen hat sich der Fokus neuer Entwicklungen von immer höheren Taktfrequenzen hin zu immer mehr Kernen auf einem Chip verschoben. Eine hohe Kernanzahl ermöglicht es unterschiedlich leistungsfähige Kerne anzubieten, und sogar dedizierte Kerne mit speziellen Befehlssätzen. Die Entwicklung für solch heterogene Plattformen ist herausfordernd und benötigt entsprechende Unterstützung von Entwicklungswerkzeugen, wie beispielsweise Übersetzern. Neben ihrer heterogenen Kernstruktur gibt es eine zweite Dimension, die die Entwicklung für solche Architekturen anspruchsvoll macht: ihre Speicherstruktur. Die Aufrechterhaltung von globaler Cache-Kohärenz erschwert das Erreichen hoher Kernzahlen. Hardwarebasierte Cache-Kohärenz-Protokolle skalieren entweder schlecht, oder sind kompliziert und führen zu Problemen bei Ausführungszeit und Energieeffizienz. Eine radikale Lösung dieses Problems stellt die Abschaffung der globalen Cache-Kohärenz dar. Jedoch ist es schwierig, bestehende Programmiermodelle effizient auf solch eine Hardware-Architektur mit schwachen Garantien abzubilden. Der erste Teil dieser Dissertation beschäftigt sich Datentransfertechniken für nicht-cache-kohärente Architekturen mit gemeinsamem Speicher. Diese Architekturen bieten einen gemeinsamen physikalischen Adressraum, implementieren aber keine hardwarebasierte Kohärenz zwischen allen Caches des Systems. Die logische Partitionierung des gemeinsamen Speichers ermöglicht die sichere Programmierung einer solchen Plattform. Im Allgemeinen erzeugt dies die Notwendigkeit Daten zwischen Speicherpartitionen zu kopieren. Wir untersuchen die Übersetzung für invasive Architekturen, einer Familie von nicht-cache-kohärenten Vielkernarchitekturen. Wir betrachten die effiziente Implementierung von Datentransfers sowohl einfacher als auch komplexer Datenstrukturen auf invasiven Architekturen. Insbesondere schlagen wir eine neuartige Technik zum Kopieren komplexer verzeigerter Datenstrukturen vor, die ohne Serialisierung auskommt. Hierzu verallgemeinern wir den Objekt-Klon-Ansatz mit übersetzergesteuerter automatischer software-basierter Kohärenz, sodass er auch im Kontext nicht-kohärenter Caches funktioniert. Wir präsentieren Implementierungen mehrerer Datentransfertechniken im Rahmen eines existierenden Übersetzers und seines Laufzeitsystems. Wir führen eine ausführliche Auswertung dieser Implementierungen auf einem FPGA-basierten Prototypen einer invasiven Architektur durch. Schließlich schlagen wir vor, Hardwareunterstützung für bereichsbasierte Cache-Operationen hinzuzufügen und beschreiben und bewerten mögliche Implementierungen und deren Kosten. Der zweite Teil dieser Dissertation befasst sich mit der Beschleunigung von Shuffle-Code, der bei der Registerzuteilung auftritt, durch die Verwendung von Permutationsbefehlen. Die Aufgabe der Registerzuteilung während der Programmübersetzung ist die Abbildung von Programmvariablen auf Maschinenregister. Während der Registerzuteilung erzeugt der Übersetzer Shuffle-Code, der aus Kopier- und Tauschbefehlen besteht, um Werte zwischen Registern zu transferieren. Abhängig von der Qualität der Registerzuteilung und der Zahl der verfügbaren Register kann eine große Menge an Shuffle-Code erzeugt werden. Wir schlagen vor, die Ausführung von Shuffle-Code mit Hilfe von neuartigen Permutationsbefehlen zu beschleunigen, die die Inhalte von einigen Registern in einem Taktzyklus beliebig permutieren. Um die Machbarkeit dieser Idee zu demonstrieren, erweitern wir zunächst ein bestehendes RISC-Befehlsformat um Permutationsbefehle. Anschließend beschreiben wir, wie die vorgeschlagenen Permutationsbefehle in einer bestehenden RISC-Architektur implementiert werden können. Dann entwickeln wir zwei Verfahren zur Codeerzeugung, die die Permutationsbefehle ausnutzen, um Shuffle-Code zu beschleunigen: eine schnelle Heuristik und einen auf dynamischer Programmierung basierenden optimalen Ansatz. Wir beweisen Qualitäts- und Korrektheitseingeschaften beider Ansätze und zeigen die Optimalität des zweiten Ansatzes. Im Folgenden implementieren wir beide Codeerzeugungsverfahren in einem Übersetzer und untersuchen sowie vergleichen deren Codequalität ausführlich mit Hilfe standardisierter Benchmarks. Zunächst messen wir die genaue Zahl der dynamisch ausgeführten Befehle, welche wir folgend validieren, indem wir Programmlaufzeiten auf einer FPGA-basierten Prototypimplementierung der um Permutationsbefehle erweiterten RISC-Architektur messen. Schließlich argumentieren wir, dass Permutationsbefehle auf modernen Out-Of-Order-Prozessorarchitekturen, die bereits Registerumbenennung unterstützen, mit wenig Aufwand implementierbar sind