多核环境Cache一致性协议研究

论文摘要

随着商业应用和科学计算对计算能力要求的不断提高,传统的单核处理器已经不能够满足各类应用对计算能力的要求,多核处理器应运而生。多核处理器与单核处理器相比,具有容易获得高主频、功耗低、通信延迟低等优点,但是同样存在着应用限制和技术挑战,其中,Cache一致性是影响多核处理器性能的一个关键问题。针对Cache一致性问题,近年来国内外的专家学者进行了大量的研究和改进工作,其中基于监听的Cache一致性协议和基于目录的Cache一致性协议是研究的重点。研究结果表明,研究人员根据处理器体系结构对一致性协议的合理改进可以有效提高系统的性能。本文介绍了国内外对Cache一致性协议研究的热点和方向。简要地介绍了多核处理器及其存储系统的相关内容、引出Cache一致性协议设计的重要性。在研究Cache工作原理、读写策略的基础上,新协议设计中将克服Cache乒乓现象纳入Cache一致性协议设计的优化方向。本文在分析了现有监听协议和目录协议原理和运行机制的基础上,得出了现有协议在多核处理器上应用的存储开销、系统资源浪费等限制,提出了一种基于D-Cache的混合写无效和写更新策略的Cache一致性协议一—MEDSIF。在MEDSIF协议中,将传统监听协议发送数据请求的流程改进为源端——D-Cache—-目的端的点对点通信方式。D-Cache具有目录功能,为一致性事务寻址和集中控制提供支持。同时,为避免Cache乒乓现象的发生,协议以处理器核中数据副本的数量为分类基础设计了状态集合,对应于两个副本之间的写操作,采用写更新方式；两个副本之外、三个或三个以上副本的写操作,采用写无效方式。最后,本文对新协议的正确性进行了论述,论述了新协议满足Cache一致性协议设计中写传播和写串行化等条件要求,同时通过GEMS多核模拟器对协议进行了性能测试。测试结果表明,新协议降低了L1 Cache的Cache失效率,同时降低了测试程序的运行时间,提高了系统的性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文主要工作
• 1.4 论文组织结构
• 第2章 多核处理器研究
• 2.1 多核处理器技术
• 2.1.1 多核处理器简介
• 2.1.2 多核处理器关键技术
• 2.2 存储体系层次结构
• 2.3 多核处理器存储系统
• 2.3.1 多核处理器组织结构
• 2.3.2 多核处理器互联结构
• 2.3.3 典型的多核处理器片上存储系统
• 2.4 本章小结
• 第3章 Cache一致性协议研究
• 3.1 Cache存储器
• 3.1.1 工作原理
• 3.1.2 读写策略
• 3.1.3 Cache乒乓现象
• 3.2 Cache一致性问题
• 3.2.1 Cache一致性问题的引出
• 3.2.2 Cache不一致的主要原因
• 3.3 现有Cache一致性协议研究
• 3.3.1 目录一致性协议
• 3.3.2 监听一致性协议
• 3.4 改进Cache一致性协议
• 3.4.1 现有一致性协议局限
• 3.4.2 Cache一致性协议改进
• 3.5 本章小结
• 第4章 D-Cache模型及MEDSIF协议设计
• 4.1 D-Cache模型设计
• 4.1.1 D-Cache功能设计
• 4.1.2 D-Cache运行机制
• 4.1.3 D-Cache目录协作
• 4.2 MEDSIF协议设计
• 4.2.1 状态集合
• 4.2.2 操作类型
• 4.2.3 状态转换图
• 4.3 本章小结
• 第5章 理论分析及性能测试
• 5.1 理论分析
• 5.1.1 写操作要求
• 5.1.2 死锁和活锁
• 5.2 性能测试
• 5.2.1 体系结构模拟器选择
• 5.2.2 GEMS模拟器组成和结构
• 5.2.3 测试过程及结果分析
• 5.3 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