多核环境下基于L2 Cache的目录一致性协议的研究

论文摘要

随着处理器制造工艺的不断进步以及实际应用需要,多核结构已经成为当前高性能微处理器的发展趋势。然而,与此同时也带来了一些在单处理器结构中没有出现过的问题,在多核处理器系统中出现的Cache一致性问题是当今计算机体系结构中研究的热点问题。当前处理器性能的提高幅度远高于存储器的发展速度,然而,在传统的多核处理器系统中为保证Cache一致性,数据块的一致性信息一般都以目录的方式存放在内存中,这样,当某个内核需要对某一共享数据块进行读写操作时,都需要到内存中查找或修改目录信息,这无疑增加了处理器内核的访存延迟,而较长的访存延迟大大的限制了系统的性能。本文对多核环境下的高速缓存的工作原理、基本结构及Cache一致性协议的工作原理等进行了较为深入的研究的基础上,提出了一种L2 Cache模型的设计,将传统的L2 Cache分成两部分,即DLDI与FDI部分,其中DLDI部分除了存储本地内核最近访问的数据外,还额外存储了这些数据块的目录信息,而FDI部分存储的是从DLDI部分替换出去的数据块的目录信息,这样当内核需要查找或改变某个数据块的目录信息时,可以直接访问L2 Cache,从而减少处理器的访存延迟;在此L2 Cache模型的支持下,本文又对基于目录的Cache一致性协议进行了改进,以保证将目录信息存储到本文提出的L2 Cache模型中后,仍然能保证多核处理器的数据一致性;最后,利用多核模拟器软件GEMS,对系统进行了测试。实验结果证明,将目录信息存储在本文中提出的L2 Cache中并对基于目录的Cache一致性协议改进后,减少了多核处理器的访存延迟,提升了系统性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景与意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 相关研究介绍
• 1.3.1 高速缓存一致性协议概述
• 1.3.2 微处理器发展概述
• 1.3.3 存储模型一致性
• 1.4 论文的主要工作
• 1.5 论文的组织
• 第2章 Cache 一致性协议
• 2.1 Cache 一致性协议的分类
• 2.1.1 基于目录的Cache 一致性协议
• 2.1.2 基于监听的Cache 一致性协议
• 2.1.3 基于Token 的Cache 一致性协议
• 2.1.4 三种Cache 一致性协议的区别
• 2.2 Cache 一致性协议工作原理
• 2.2.1 Cache 行状态
• 2.2.2 Cache 行状态之间的转换
• 2.3 高速缓存不一致性问题的主要原因
• 2.3.1 共享可写数据的不一致性
• 2.3.2 I/O 操作导致的不一致性
• 2.3.3 进程迁移的不一致性
• 2.4 提高Cache 一致性协议性能的方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 高速缓冲存储器（Cache）的研究
• 3.1 Cache 的工作原理
• 3.2 Cache 的基本结构
• 3.2.1 存储层次组织
• 3.2.2 Cache 的内部结构
• 3.3 Cache 读写策略
• 3.3.1 Cache 写策略
• 3.3.2 Cache 读策略
• 3.4 替换算法
• 3.5 本章小结
• 第4章 L2 Cache 模型的设计及目录协议的改进
• 4.1 L2 Cache 模型的设计
• 4.1.1 DLDI 部分的设计
• 4.1.2 FDI 部分的设计
• 4.1.3 与传统目录信息存储方式的访存比较
• 4.2 基于目录的Cache 一致性协议的改进
• 4.2.1 传统的目录协议的工作原理
• 4.2.2 对目录协议的改进
• 4.2.3 如何替换目录信息
• 4.3 本章小结
• 第5章 模拟结果及分析
• 5.1 评测方法
• 5.2 多核模拟器的选择
• 5.2.1 多核模拟器介绍
• 5.2.2 GEMS 模拟器组成和结构
• 5.3 模拟过程及结果分析
• 5.3.1 设置模拟参数
• 5.3.2 测试结果及结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢