同时多线程处理器中的资源分配策略研究

论文摘要

同时多线程（Simultaneous Multithreading,简称SMT）处理器通过多个线程共享处理器资源来提高性能,每个线程执行的性能和处理器的总体性能都取决于如何在线程之间分配共享资源,即取决于资源分配策略。如何有效地分配共享资源成为同时多线程处理器研究的重要课题之一。随着同时多线程处理器的广泛应用,除了追求高性能外,处理器硬件还需要在公平性和保证实时任务的服务质量（Quality of Service,简称QoS）方面提供支持。当前,同时多线程处理器资源分配策略的研究主要围绕提高性能、优化公平性和保证实时任务的服务质量这三个方面展开。然而,在提高性能方面,现有的资源分配策略存在资源利用率低、资源浪费和资源滥用严重等问题,还有进一步优化的空间,如何提高处理器性能仍然是资源分配策略的研究热点;在优化公平性方面,现有的研究大多是对已有资源分配策略的公平性进行评估,并没有专门针对公平性的优化提出有效的策略,如何通过有效的资源分配实现公平性成为亟待解决的问题;在保证实时任务的服务质量方面,有关研究非常少,目前只提出了一种显式的资源分配策略,以保证实时任务的服务质量为目标的资源分配策略需要进一步的研究。本文针对上述三个方面展开了深入研究,并取得以下研究成果。1.为了进一步提高性能,提出了一种SMT处理器资源分配策略——MFP。该策略结合取指控制和资源划分的优势,主要利用取指控制共享资源的分配,以实现资源的自由竞争、提高资源利用率,并辅助使用资源划分方法,减少由于竞争不当导致的资源滥用和资源浪费。2.为了更好地支持公平性,专门针对公平性优化提出了一种SMT处理器资源分配策略——FAIR。该策略从取指的角度间接控制共享资源的分配,通过优先从正规化性能加速比较低的线程取指来加速该线程的执行,进而实现所有线程公平地占用处理器。3.为了保证实时任务的服务质量,提出了一种隐式的SMT处理器资源分配策略——CPIT。该策略从取指的角度间接控制共享资源的分配,通过适时调整实时任务的取指优先级来达到控制其性能的目的,从而保证实时任务的服务质量。4.为了在优化公平性的同时提高性能,提出了一种SMT处理器资源分配策略——FAIR+。该策略把FAIR策略和任何一种以提高性能为目标的资源分配策略结合使用,充分利用两种策略在优化公平性和提高性能方面的优势,在优化公平性的同时尽可能提高处理器的总体性能。5.为了在保证实时任务服务质量的同时提高性能,提出在CPIT策略中结合使用MFP策略,充分利用CPIT和MFP在保证实时任务服务质量和提高性能方面的优势,在保证实时任务服务质量的同时尽可能提高处理器的总体性能。实验表明,本文提出的资源分配策略都能够有效地实现特定的目标。本文的研究为同时多线程处理器在不同领域的广泛应用奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 指令级并行的局限性
• 1.1.2 线程级并行的发展机遇
• 1.1.3 线程级并行解决方案
• 1.1.4 同时多线程体系结构的优势
• 1.2 问题提出
• 1.2.1 同时多线程处理器研究的关键问题
• 1.2.2 研究资源分配策略的重要意义
• 1.2.3 资源分配策略面临的问题
• 1.3 本文工作
• 1.4 论文结构
• 第二章 同时多线程处理器资源分配策略概述
• 2.1 同时多线程处理器体系结构模型
• 2.2 SMT 处理器资源分配策略的分配对象
• 2.2.1 共享资源的分类
• 2.2.2 共享资源的特性分析
• 2.3 SMT 处理器资源分配策略的目标
• 2.4 SMT 处理器资源分配策略的分类
• 2.5 SMT 处理器资源分配策略的相关研究
• 2.5.1 以提高性能为目标
• 2.5.2 以优化公平性为目标
• 2.5.3 以保证实时任务的服务质量为目标
• 2.6 小结
• 第三章 同时多线程处理器资源分配策略模拟模型
• 3.1 SMT 处理器资源分配策略模拟模型的构建
• 3.1.1 模拟引擎的选择
• 3.1.2 资源分配策略的模拟模型
• 3.1.3 ICOUNT 资源分配策略的模拟
• 3.2 模拟方法
• 3.2.1 主机环境
• 3.2.2 模拟器配置
• 3.2.3 测试程序
• 3.2.4 评价指标
• 3.2.5 模拟加速
• 3.3 小结
• 第四章 以提高性能为目标的资源分配策略MFP
• 4.1 引言
• 4.2 MFP 资源分配策略
• 4.2.1 设计目标
• 4.2.2 设计思想
• 4.2.3 资源划分
• 4.2.4 实现
• 4.3 理论分析
• 4.4 模拟评估
• 4.4.1 实验设置
• 4.4.2 静态划分方法与动态划分方法的比较
• 4.4.3 MFP 与相关研究的比较
• 4.4.4 资源数目对MFP 性能的影响
• 4.4.5 存储延时对MFP 性能的影响
• 4.5 小结
• 第五章 以优化公平性为目标的资源分配策略FAIR
• 5.1 引言
• 5.2 FAIR 资源分配策略
• 5.2.1 设计目标
• 5.2.2 设计思想
• 5.2.3 实现
• 5.3 理论分析
• 5.4 模拟评估
• 5.4.1 实验设置
• 5.4.2 参数对FAIR 策略的影响
• 5.4.3 FAIR 的公平性结果
• 5.4.4 FAIR 与其他策略的比较
• 5.5 小结
• 第六章 以保证实时任务的QoS 为目标的资源分配策略CPIT
• 6.1 引言
• 6.2 CPIT 资源分配策略
• 6.2.1 设计目标
• 6.2.2 设计思想
• 6.2.3 实现
• 6.3 理论分析
• 6.4 模拟评估
• 6.4.1 实验设置
• 6.4.2 CT 的服务质量
• 6.4.3 NCT 的性能和处理器的总体性能
• 6.4.4 CPIT 与Cazorla 的比较
• 6.5 小结
• 第七章 同时优化多个目标的资源分配策略
• 7.1 引言
• 7.2 优化公平性的同时提高性能
• 7.2.1 FAIR+策略的设计与实现
• 7.2.2 FAIR+策略的模拟评估
• 7.3 保证实时任务服务质量的同时提高性能
• 7.3.1 CPIT+MFP 策略的设计与实现
• 7.3.2 CPIT+MFP 策略的模拟评估
• 7.4 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的论文
• 附录A 名词对照表