片上多核處理器共享cache公平劃分的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，處理器的性能提升已不能再依賴于主頻的提高。要想使微處理器性能繼續(xù)按摩爾定律推進(jìn)，使處理器能夠符合計(jì)算發(fā)展的需求，必須研究新的微架構(gòu)和新的計(jì)算模型。因此片上多核處理器CMP架構(gòu)成為現(xiàn)在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)，并己成為服務(wù)器和桌面領(lǐng)域的主流。但是，如何進(jìn)行多核處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以充分提高處理器性能是一個(gè)值得仔細(xì)研究和探索的問(wèn)題。
　　 目前絕大多數(shù)的主流CMP處理器都使用私有一級(jí)（或一級(jí)和二級(jí)）cache，共

2、享二級(jí)（或三級(jí)）cache的片上存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)通過(guò)共享最后一級(jí)cache和更低的存儲(chǔ)層，最大限度的提高資源利用率避免重復(fù)開(kāi)銷。然而，隨著同時(shí)執(zhí)行線程數(shù)量的增加，存儲(chǔ)層所承受的壓力也在不斷地增大。由cache共享所引發(fā)的cache競(jìng)爭(zhēng)會(huì)對(duì)吞吐量和公平性造成不利的影響。
　　 系統(tǒng)公平性是一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)化問(wèn)題，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)（OS）線程調(diào)度的效率體現(xiàn)在硬件向所有并發(fā)執(zhí)行的線程所提供的公平性上。但當(dāng)今的cache設(shè)計(jì)依然使用LRU策略

3、來(lái)選擇被替換的cache塊，LRU策略實(shí)際上會(huì)根據(jù)每個(gè)線程的需要隱式地劃分共享cache，其管理cache空間具有明顯的不公平性。因此，將公平性作為CMP結(jié)構(gòu)下主要的優(yōu)化目標(biāo)，可以極大地簡(jiǎn)化操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且可以顯著提升系統(tǒng)整體性能。
　　 文章首先討論了適用于CMP或SMT系統(tǒng)的各種cache劃分算法。重點(diǎn)介紹了DFC算法、MLP-Aware算法和基于雙核處理器的性能最優(yōu)劃分算法。同時(shí)也介紹了已有的CMP系統(tǒng)公平性評(píng)價(jià)參數(shù)。

4、然后，通過(guò)分析現(xiàn)有評(píng)價(jià)參數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了更適合CMP系統(tǒng)的多線程并發(fā)執(zhí)行的公平性參數(shù)。最后，在此參數(shù)基礎(chǔ)上，提出了S-DFC算法。
　　 本文把優(yōu)化系統(tǒng)公平性作為主要目標(biāo)，通過(guò)對(duì)CMP共享cache劃分的公平性進(jìn)行分析，提出新的易于測(cè)量且可用于評(píng)價(jià)多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行的公平性指標(biāo)，改進(jìn)了已有的動(dòng)態(tài)公平劃分算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后的劃分算法可以顯著提高多線程并發(fā)執(zhí)行的公平性，有效避免各種缺乏公平引起的系統(tǒng)調(diào)度問(wèn)題，并且在提高系統(tǒng)公平