单芯片多核处理器已成为处理器发展的主要方向,GPU作为简单多核处理器的典型代表,对其体系结构的研究具有十分重要的意义。而模拟器是研究处理器体系结构的有效手段。本文首先介绍了统一架构GPU的硬件结构特点,CUDA编程平台以及线程执行模型,然后简单分析了Atila、Qsilver和Barra这三种针对GPU的模拟器并接着详细分析模拟器GPGPU-Sim所模拟的体系结构流水线和软件结构组成,它是本文中用到的实验工具。进而利用模拟器对GPU的存储器层次结构进行了较为深入的研究。首先分析了GPU中流多处理器和存储控制器之间的数量配置关系对系统整体性能的影响,得到了一个对大部分程序有效的二者数量的比例值;通过实验对比了在GPU中数据cache对程序性能的差异,并总结了当前GPU为何不引入数据cache的基本原因;然后利用GPGPU-Sim分析了计算访存比对程序性能的影响并提出一种能够减少对GPU片外存储器访问次数的核间对齐访问的机制;最后,本文在GPGPU-Sim中集成了一个基于WATTCH的功耗模型,并利用该功耗模型分析了使用GPU片上共享内存的编程模式对程序整体能耗的影响并证明这一编程模式能够有效地降低程序执行过程中的能量消耗。本课题研究的内容是国家863计划项目“通用流处理器体系结构关键技术研究”和“可重构异构流处理器的体系结构技术研究”以及国家自然科学基金项目“面向科学计算的异构多流体系结构关键技术研究”的一部分。