多核操作系统中基于页着色的内存管理技术的研究

论文摘要

随着多核时代的到来,处理器运算能力的发展进入了一个黄金阶段。随之而来的“存储墙”问题也越发的严重了。在共享总线的多处理器体系结构中,内存是一个很重要的共享资源。多个程序对于内存的争用,往往会给彼此带来严重的影响。这种影响不但降低内存的性能,也改变了程序的行为,使得对于系统的分析和预测更加困难。因此为了提升系统的性能和更清晰准确的分析预测系统行为,研究多核背景下的内存管理技术是很有意义的。目前对于共享资源争用现象的相关研究中,通常采用隔离的思想。页着色技术是在软件层次上实现隔离思想的解决方案。面对争用共享L2级Cache带来的不利影响时,很多研究采用了页着色的方案,并取得了很好的效果。现在的内存设备主要以DRAM为主,围绕DRAM的研究基本上是从硬件的角度展开的。主要的方法是通过研究程序在DRAM上的行为,选择最佳的地址映射方式,通过提高BANK之间的并行度和减少Row-Buffer上的冲突两个方面,最终提升DRAM的性能。本文综合这两类研究的特点,提出了一种利用页着色技术从软件层次上提升DRAM性能的内存管理技术。本文首先探索了一种如何在操作系统环境下统计程序每一条虚地址访问DRAM次数的方法,并从程序的访存信息数据中提取出能够指导优化DRAM性能的着色信息。然后采用页着色技术扩展了Linux-2.6.20的内存管理中页面分配部分,设计了一套组织颜色信息的结构,我们搭建配置了Simics和GEMS混合模拟平台,在其上开展实验。我们分别对数据密集型和计算密集型两大类程序进行了对比实验。实验结果表明,在DRAM管理中使用页着色技术,能够有效的隔离冲突,从而大大提高系统性能。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 研究背景

1.1.1 DRAM存储器的研究背景

1.1.2 实时嵌入式系统的相关背景

1.2 研究目的和意义

1.3 相关研究现状

1.4 论文组织结构

第2章存储体系层次结构介绍

2.1 计算机存储体系层次结构

2.2 共享总线多处理器系统中的DRAM存储器子系统

2.3 Cache基本原理

2.3.1 Cache的提出

2.3.2 Cache的理论根据

2.3.3 Cache的工作原理

2.3.4 Cache的映射规则

2.3.5 经典的Cache替换算法

2.4 DRAM工作原理

2.4.1 DRAM的总体结构

2.4.2 CHANNEL的结构

2.4.3 RANK的结构

2.4.4 BANK的结构

2.4.5 存储器控制器的结构

2.4.6 DRAM的访问时序

2.5 Row-Buffer冲突的相关知识

2.5.1 Row-Buffer冲突现象

2.5.2 Row-Buffer冲突产生的根源

2.6 本章小结

第3章存储管理策略设计与分析

3.1 影响DRAM性能的两个主要因素

3.2 工作平台的选择

3.3 程序访存信息的统计方法设计

3.4 页着色策略设计

3.4.1 地址映射

3.4.2 针对Cache的页着色策略设计

3.4.3 针对DRAM的页着色策略设计

3.5 基于页着色的内存管理设计

3.5.1 线性地址分页模式

3.5.2 伙伴系统

3.5.3 基于页着色的内存管理框架

3.6 存储器控制器调度策略的选择

3.6.1 Close Page Mode调度策略

3.6.2 Open Page Mode调度策略

3.7 本章小结

第4章基于页着色的内存管理实现

4.1 Sparc64体系结构的内存管理

4.2 基于页着色内存管理的实地址层实现

4.2.1 数据结构

4.2.2 分配物理页面过程

4.2.3 查找颜色的过程

4.3 基于页着色内存管理的虚地址层实现

4.3.1 数据结构

4.3.2 基于页着色内存管理的虚实地址映射

4.4 基于页着色内存管理的用户接口层实现

4.4.1 系统调用

4.4.2 colormaps文件

4.5 GEMS模拟器Ruby模块的修改

4.5.1 MemoryControl类的外部环境

4.5.2 MemoryControl类的内部细节

4.5.3 Open Page Mode调度策略在Ruby中的实现

4.6 本章小结

第5章实验结果与分析

5.1 实验配置情况介绍

5.1.1 测试程序

5.1.2 实验环境

5.2 统计程序访存信息实验部分

5.3 页着色技术对比实验部分

5.4 本章小结

第6章总结与展望

6.1 工作总结

6.2 后续工作展望

参考文献

致谢

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