片上多核處理器共享cache公平劃分的研究與實現(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，使處理器能夠符合計算發(fā)展的需求，必須研究新的微架構(gòu)和新的計算模型。因此片上多核處理器CMP架構(gòu)成為現(xiàn)在學術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的熱點，并己成為服務器和桌面領(lǐng)域的主流。但是，如何進行多核處理器結(jié)構(gòu)設計，以充分提高處理器性能是一個值得仔細研究和探索的問題。
　　 目前絕大多數(shù)的主流CMP處理器都使用私有一級（或一級和二級）cache，共

2、享二級（或三級）cache的片上存儲結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)通過共享最后一級cache和更低的存儲層，最大限度的提高資源利用率避免重復開銷。然而，隨著同時執(zhí)行線程數(shù)量的增加，存儲層所承受的壓力也在不斷地增大。由cache共享所引發(fā)的cache競爭會對吞吐量和公平性造成不利的影響。
　　 系統(tǒng)公平性是一個關(guān)鍵的優(yōu)化問題，因為操作系統(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。但當今的cache設計依然使用LRU策略

3、來選擇被替換的cache塊，LRU策略實際上會根據(jù)每個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，可以極大地簡化操作系統(tǒng)的設計，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。同時也介紹了已有的CMP系統(tǒng)公平性評價參數(shù)。

4、然后，通過分析現(xiàn)有評價參數(shù)的優(yōu)缺點，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，通過對CMP共享cache劃分的公平性進行分析，提出新的易于測量且可用于評價多個線程并發(fā)執(zhí)行的公平性指標，改進了已有的動態(tài)公平劃分算法。實驗結(jié)果表明改進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)度問題，并且在提高系統(tǒng)公平