片上多處理器體系結(jié)構(gòu)中Cache一致性模型研究.pdf

1、現(xiàn)代的片上多處理器大都采用共享存儲結(jié)構(gòu)，每個處理器核都擁有自己的私有緩存，這就需要高速緩存一致性模型來管理共享數(shù)據(jù)。早期的緩存一致性模型多用于板級多處理器系統(tǒng)中，對于片上多處理器結(jié)構(gòu)而言，實現(xiàn)緩存一致性模型的技術(shù)參數(shù)及約束條件都發(fā)生了變化，從而帶來了許多新的研究問題。由其是通過擴展高速緩存一致性模型實現(xiàn)硬件事務(wù)存儲和推測多線程機制，為大幅度降低共享存儲并行編程的復(fù)雜性帶來了新的機遇。因此，圍繞著高速緩存一致性模型的功能擴展、性能優(yōu)化以及

2、提高可擴展性等方面的工作仍然是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同關(guān)注的熱點研究問題。
　　 本文主要從高速緩存一致性模型的功能擴展和性能優(yōu)化兩個方面開展研究工作，通過發(fā)掘高速緩存一致性模型在功能及性能兩方面的潛在優(yōu)勢，來達(dá)到對多核處理器芯片上晶體管資源的充分利用，并在保證片上多處理器模型擴展性的基礎(chǔ)上，提升整個系統(tǒng)的性能，以適應(yīng)未來多核及眾核體系結(jié)構(gòu)對高速緩存一致性模型的需要。本文研究工作的主要內(nèi)容和成果如下。
　　 本文工作的第一部分

3、是研究高速緩存一致性協(xié)議功能擴展模型。通過擴展高速緩存一致性協(xié)議的功能，實現(xiàn)對硬件事務(wù)存儲機制及推測多線程機制混合模型的高效支持。硬件事務(wù)存儲機制及推測多線程機制都可以采用高速緩存一致性模型的功能擴展來實現(xiàn)，且二者對硬件的需求類似，因此可以提供對二者的統(tǒng)一硬件支持。但是針對單個芯片中有限的硬件資源及功耗的限制，及應(yīng)用程序?qū)ψ陨硇阅苋找嬖鲩L的需求，如何能實現(xiàn)一個高效的功能擴展模型，仍是一個重要的問題。針對此問題，本文在事務(wù)存儲及推測多線程

4、兩種機制的統(tǒng)一高效硬件支持方面展開了深入的研究，其主要研究成果包括:
　　 (1)提出了一個新的基于高速緩存一致性模型的功能擴展模型TT-Dir，此擴展模型可以同時支持事務(wù)存儲及推測多線程兩種機制;
　　 (2)為TT-Dir模型引入了快速回退機制，在保證原始事務(wù)及推測線程提交速度的前提下，實現(xiàn)了對粒度較小的事務(wù)及推測線程的快速回退;
　　 (3)為TT-Dir模型引入了沖突容忍機制，實現(xiàn)了對并發(fā)推測線程之間寫后

5、讀及寫后寫型二義性沖突的容忍，減少了并發(fā)推測線程間的沖突數(shù)量;并針對事務(wù)存儲模型引入了動態(tài)定序機制，使上述沖突容忍機制也能適用于事務(wù)存儲模型中。對模型的評測結(jié)果表明，TT-Dir模型可以在滿足較小硬件需求及功耗的基礎(chǔ)上，有效提升上述兩種機制自身的性能。
　　 本文工作的第二部分是研究高速緩存一致性協(xié)議優(yōu)化模型，包括性能優(yōu)化和可擴展性優(yōu)化兩個方面?，F(xiàn)代應(yīng)用程序?qū)π阅芗巴掏侣实男枨笤絹碓礁?，因此需要片上高速緩存一致性模型不斷提升其?/p>

6、能，以滿足上層應(yīng)用的需求;且隨著片上處理器核數(shù)越來越多，片上高速緩存一致性模型需要提供良好的擴展性，以滿足未來多核及眾核體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的需要;此外，單個芯片上有限的硬件資源及功耗約束又為高速緩存一致性模型的擴展性引入了新的難點。為了對高速緩存一致性模型的性能及擴展性影響因素進行詳細(xì)的分析，本文首先將高速緩存一致性模型的實現(xiàn)分為網(wǎng)絡(luò)層及行為層兩個方面，并從這兩個方面分別進行了深入研究，主要研究成果包括:
　　 (1)在網(wǎng)絡(luò)層方面，本

7、文首先對片上網(wǎng)絡(luò)中影響高速緩存一致性模型性能的因素進行了分析，根據(jù)分析結(jié)果提出了基于階段優(yōu)先級的一致性模型PPB，PPB模型引入了“階段性”消息的概念，使不同階段的消息具有不同的優(yōu)先級;隨后本文還給出了此PPB模型的具體實現(xiàn)機制，這其中包括一致性消息優(yōu)先級的設(shè)置及相應(yīng)片上網(wǎng)絡(luò)中的仲裁機制;
　　 (2)在行為層方面，本文針對目錄一致性模型的性能及硬件需求兩個方面進行了優(yōu)化，提出了一個基于本地目錄機制的高速緩存一致性模型Loc-D

8、ir。首先，此Loc-Dir模型采用了本地目錄模型來降低一致性模型實現(xiàn)的硬件需求，即保證了一致性模型的擴展性;其次Loc-Dir模型引入了預(yù)測機制來降低目錄一致性模型中的間接數(shù)據(jù)傳輸延遲，在預(yù)測器的實現(xiàn)中，本文提出了基于通信模式的預(yù)測器來擴展可預(yù)測地址的范圍;最后，本文還提出了針對應(yīng)用程序中通信模式的優(yōu)化策略，并提出了對本地私有緩存的替換策略的修改方案，以使其適應(yīng)上述Loc-Dir的預(yù)測機制。
　　 本文的研究工作獲得了如下一些

9、重要的認(rèn)識:
　　 (1)片上高速緩存一致性模型可以高效地應(yīng)用于并行編程模型，以簡化并行編程模型對共享數(shù)據(jù)的管理;
　　 (2)片上網(wǎng)絡(luò)與高速緩存一致性模型之間相互依賴且相互制約，一致性模型產(chǎn)生的一致性消息直接影響了片上網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載量，而一致性消息在片上網(wǎng)絡(luò)中的傳輸也影響了一致性模型自身的性能，所以，建立起一致性模型與片上網(wǎng)絡(luò)的接口，以實現(xiàn)對二者的協(xié)同管理，是提升整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵;
　　 (3)對于目錄一致性模型