高性能存儲系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著存儲系統(tǒng)的訪問速度與處理器的運算速度的差距越來越顯著，訪存性能已成為提高計算機系統(tǒng)性能的瓶頸。如何通過設(shè)計高性能存儲系統(tǒng)彌補處理器與存儲系統(tǒng)性能的差距長期以來是體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究熱點。本文從提高處理器的IPC值和優(yōu)化處理器的訪存延時及帶寬的角度出發(fā)，結(jié)合分析龍芯2號處理器運行SPEC CPU2000測試程序的訪存行為特征，對存儲系統(tǒng)性能優(yōu)化技術(shù)進行研究，提出了一系列存儲系統(tǒng)的性能優(yōu)化技術(shù)并對所提出的優(yōu)化技術(shù)進行性能評測與分析。本文主

2、要的創(chuàng)新點及貢獻包括： 1．通過對Cache寫失效行為的分析，提出一種新的提高處理器帶寬利用率的Cache寫失效處理策略——Cache自適應(yīng)寫分配策略。該策略在訪存失效隊列中收集全修改Cache塊，對全修改Cache塊采用非寫分配策略，并能夠自適應(yīng)地切換為寫分配策略。與傳統(tǒng)的Cache寫失效處理策略相比，Cache自適應(yīng)寫分配策略硬件代價小，避免了不必要的數(shù)據(jù)傳輸，降低Cache污染，減少存儲管理隊列阻塞的頻率。結(jié)果表明，采用C

3、ache自適應(yīng)寫分配策略，STREAM基準測試程序帶寬平均提高62.6％，SPEC CPU2000程序的IPC值平均提高5.9％。 2．通過對棧訪問行為的分析，提出一種棧高速緩存方案——快速地址計算的自適應(yīng)棧高速緩存組織方案。該方案將棧訪問從數(shù)據(jù)高速緩存的訪問中分離出來，充分利用棧空間數(shù)據(jù)訪問的特點，提高指令級并行度，減少數(shù)據(jù)高速緩存污染，降低數(shù)據(jù)高速緩存失效率，并采用快速地址計算策略，減少棧訪問的命中時間。該棧高速緩存在發(fā)生棧

4、溢出時，能夠自適應(yīng)地關(guān)閉，以避免棧切換對處理器性能的影響。棧高速緩存標志中增加進程標識，進程切換時不需要將數(shù)據(jù)寫到低層存儲系統(tǒng)中，適用于多進程環(huán)境。SPEC CPU2000程序運行結(jié)果表明，采用快速地址計算的自適應(yīng)棧高速緩存方案，25.8％的訪存指令可以并行執(zhí)行，數(shù)據(jù)高速緩存失效率平均降低9.4％，IPC值平均提高6.9％。 3．通過對指令Cache和數(shù)據(jù)Cache失效行為的分析，提出一種預(yù)取策略——結(jié)合訪存失效隊列狀態(tài)的預(yù)取策略。該

5、預(yù)取策略保持了指令和數(shù)據(jù)訪問的次序，有利于預(yù)取流的提取。并將指令流和數(shù)據(jù)流的預(yù)取相分離，避免相互替換。在預(yù)取發(fā)起時機的選擇上，結(jié)合訪存失效隊列的狀態(tài)，減小對處理器正常訪問請求的影響。通過流過濾機制提高預(yù)取準確性，降低預(yù)取對訪存帶寬的需求。結(jié)果表明，采用結(jié)合訪存失效隊列狀態(tài)的預(yù)取策略，處理器的平均訪存延時減少30％，SPEC CPU2000程序的IPC值平均提高8.3％。 4．通過對內(nèi)存訪問地址的空間局部性分析，提出一種內(nèi)存控制策

6、略——處理器核指導(dǎo)的內(nèi)存Page模式控制策略。該策略由處理器核指導(dǎo)，自適應(yīng)地根據(jù)程序訪存地址的空間局部性特征動態(tài)調(diào)整Page模式，融合Open Page策略和Close Page策略的優(yōu)點。處理器核通過真實的未來訪存行為進行內(nèi)存Page模式的指導(dǎo)，比現(xiàn)有的動態(tài)Page模式控制策略根據(jù)歷史信息進行預(yù)測更加準確。處理器核在發(fā)送訪存請求時，結(jié)合已經(jīng)發(fā)出請求的Page信息進行調(diào)度，使Page模式控制策略更好地發(fā)揮作用。結(jié)果表明，采用處理器核指導(dǎo)