多核处理器Cache一致性协议关键技术研究

多核处理器规模的不断扩大和核间通信机制的日益复杂,使得Cache一致性维护变得更加困难。本文从多核处理器Cache一致性问题的产生背景出发,分析监听协议、目录协议、Token协议和Hammer协议的实现机制以及在多核环境中的优缺点,分别从一致性协议与片上互连结构协同设计、面向低功耗应用的协议优化策略、Cache一致性协议验证及容错机制等角度考虑,对未来多核处理器Cache一致性协议设计的发展趋势和技术挑战进行详细分析与讨论。     

多核多线程处理器二级Cache预取结构的设计

合理的设计二级Cache是有效地减少多核多线程处理器存储器访问延迟的方法。针对现有的多核多线程处理器,讨论了二级Cache的混合预取结构设计方案。通过详细设计和仿真分析,结果表明混合预取结构可有效提高处理器的整体性能。特别是采用不命中混合预取结构的二级Cache性能更佳,适合满足此类结构的多核多线程处理器需求。     

模型检测MESIF Cache一致性协议

在处理器从单核向多核演进的过程中,为了获得更好的性能和可扩展性,适用于多核处理器系统的Cache一致性协议变得越来越复杂。Cache一致性协议的验证一直是模型检测在工业界主要应用之一,被工业界和学术界关注。相对传统方法而言,微结构级的模型检测能够描述和验证更多的协议细节。利用NuSMV工具对Intel公司的MESIF Cache一致性协议进行模型检测在微结构层次上进行了建模,并对该协议进行模型检测,试验结果证明了此方法的有效性。     

片上多核Cache资源管理机制研究

随着片上多核成为处理器发展的主流和片上Cache资源的持续增长,Cache资源的管理已成为片上多核的关键问题。介绍了片上多核Cache资源管理的研究进展,依据研究内容将Cache资源的管理分为Cache划分和Cache共享两类。对Cache划分,探讨了其主要组成部分和一般形式,分析和比较了典型的片上多核Cache划分机制。对Cache共享,给出了其主要研究内容,并介绍和比较了几种主流的片上多核Cache共享机制。通过分析,认为软硬件协同管理的页划分应是未来片上多核Cache划分机制的研究重点;而片上多核Cache共享机制的研究则应从目标应用的Cache行为特征着手。     

混合Cache的低功耗设计方案

在嵌入式处理器中,Cache的功耗所占的比重越来越大。为降低嵌入式系统中混合Cache的功耗,引入一种基于程序段的重构算法——PPBRA,并提出一种新的基于分类访问的可重构混合Cache结构,该方案能够根据不同程序段对Cache容量的需求,动态地分配混合Cache的指令路数和数据路数,还能够对混合Cache进行分类访问,过滤对不必要路的访问,从而实现降低混合Cache的功耗的目的。Mibench仿真结果表明,该方案在有效降低Cache功耗的同时,还能提高Cache的综合性能。     

DSCF:一种面向共享存储多核DSP的数据流分簇前向技术

多核数字信号处理器(DSP)的性能常常受限于共享存储的长延迟Cache一致性访问.数据前向(forwarding)技术是隐藏长延迟访问的一种有效手段.根据多核DSP应用的两类重要特征,提出了一种面向共享存储多核DSP结构的数据流分簇前向技术DSCF(data stream clustered forwarding).DSCF方法的主要特点是:兼容基本的共享存储Cache一致性协议;不污染目标Cache;数据的传输速度能够与消费速度相匹配;系统结构的可扩展性好.典型测试程序的模拟评测表明,采用DSCF方法能够将Cache一致性失效率平均降低44%,将系统总体性能提升30%～70%.     

CISC中混合Cache的优化设计

论文重点讨论CISC系统中混合Cache的Cache容量、块大小、相联度和替换策略等对Cache系统性能的影响,得到了一种混合Cache的优化方法。基于此方法,设计了“龙腾C1”CISC处理器中Cache单元,综合和流片结果表明该设计符合要求。     

基于多级一致性协议的多核处理器WCET分析方法

由于多核处理器优越的计算性能,多核处理器现已广泛应用在嵌入式实时系统中.相对于单核处理器,多核处理器存在资源共享竞争、并行任务干扰等因素,尤其是缓存（Cache）一致性问题,导致任务最坏情况执行时间（worst-case execution time,WCET）的预测更加困难.基于以上因素,提出基于多级一致性协议的多核处理器WCET分析方法.该方法针对多级一致性协议体系架构,提出多级一致性域的概念,将多核处理器的数据访问分为域内访问和跨域访问2个层次,根据Cache读写策略和MESI(modify exclusive shared invalid)一致性协议,得出一致性域内部和跨一致性域的Cache状态更新函数,从而实现多级一致性协议嵌套情况下的WCET分析.实验结果表明,在改变Cache配置参数的情况下,该方法分析结果与GEM5仿真结果的变化趋势一致,经过相关性分析,GEM5仿真结果与该方法分析结果相关性系数不低于0.98;在分析精度方面,该方法的平均过估计率为1.30,相比现有方法降低了0.78.     

多核处理器可重构Cache功耗计算方法的研究

多核动态可重构Cache是解决Cache功耗困扰的一个重要方法。现有Cache功耗模拟器并不能很好地支持多核动态可重构Cache功耗研究,通过对多核动态可重构Cache的功耗模型进行研究,找到了计算可重构Cache的方法和思路,应用CACTI来分别构建各个组成结构的Cache功耗模型,以较为准确地测算可重构Cache的功耗。在Simics模拟器下构建动态可重构Cache,运行测试程序,对比传统的体系结构,可重构Cache的功耗能够得到10.4%的降低。同时,实验中发现功耗的降低不仅仅是动态可重构Cache贡献的,而是由系统综合产生的,因此在低功耗设计中,要综合考虑整体系统的功耗和性能,避免片面地考虑Cache结构而导致整体功耗的提高。     

一种新型共享Cache动态划分机制

综合效用最优划分共享Cache方法和传统LRU方法的优点,提出一种新的动态划分共享Cache方法。该方法可消除不同线程在共享Cache中的相互影响,当多核并行执行的程序均对共享Cache中占有的路数敏感时,可解决采用效用最优划分方法时的性能下降问题。经SPEC CPU2000测试表明,该方法与传统LRU和效用最优划分方法相比,系统整体性能平均分别提高20.28%和14.37%。     

支持多机环境的片上Cache的设计与实现

Cache是高性能微处理器解决CPU和存储器速度差异问题的有效措施之一。在共享存储器的多机环境下，共享数据在多个处理器的片上Cache中分布，Cache间维持数据一致性成为关键。该文讨论了32位嵌入式微处理器“龙腾R2”的Cache的设计和实现和支持多机环境的Cache一致性实现方法，并给出了实现的结果。     

一种MPP机Cache一致性协议的设计与实现

Ｃａｃｈｅ一致性技术是大规模并行处理计算机系统中的关键技术之一。本文构造了一个典型的ＭＰＰ模型，在此基础上阐述了系统对Ｃａｃｈｅ一致性协议的支持，并给出了具体的实现方案。     

分布式RAID中Cache模块的设计

针对分布式RAID的特殊架构，设计了基于总线侦听方法的Cache模块。该模块采用主存分块映射策略来解决总线侦听方法，由于共享网络总线对带宽要求太高，使用较少带宽、较少的数据操作，提高了分布式RAID的系统性能。对Cache模块设计进行了性能分析，对多处理机系统Cache一致性问题的解决方案进行了分析比较。     

一种基于贝叶斯网络的随机测试方法在Cache一致性验证中的设计与实现

随着集成电路设计复杂度指数级增长,功能验证已经越来越成为大规模芯片设计的瓶颈,而在多核处理器中,Cache一致性协议十分复杂,验证难度大。针对Cache一致性协议验证提出基于模拟验证的一种基于贝叶斯网络的随机测试生成方法,解决Cache一致性协议状态空间爆炸的问题。首先分析了Cache一致性协议及基于贝叶斯网络推理的CDG方法,并将CDG方法应用于Cache一致性的验证。以FT处理器中的Cache一致性协议验证为例,对比伪随机测试,使用CDG方法将覆盖率提高近30%。     

基于SRAM和STT-RAM的混合指令Cache设计

随着工艺尺寸减小,传统基于SRAM的片上Cache的漏电流功耗成指数增长,阻碍了片上Cache容量的增加。基于牺牲者Cache的原理,利用SRAM写速度快,STT-RAM的非易失性、高密度、极低漏电流功耗等特性设计了一种基于SRAM和STT-RAM的混合型指令Cache。通过实验证明,该混合型指令Cache与传统基于SRAM的指令Cache相比,在不增加指令Cache面积的情况下,增加了指令Cache容量,并显著提高了指令Cache的命中率。     

支持线程级猜测的存储体系结构设计

在线程级猜测中进行数据依赖相关检测时,存在Cache一致性协议无法容忍线程切换引起的Cache块替换等问题。为此,通过分析推测线程数据管理模型,结合推测线程切概率低的特点,提出一种分布-共享式恢复缓冲区结构。该结构在进行Cache一致性检验时结合作废向量和版本优先级寄存器进行数据依赖检测,利用L2 Cache进行推测数据缓冲和恢复以支持推测线程切换。修改SESC模拟器以验证和评估该存储体系结构。实验结果表明,在保持模拟器理想加速比的情况下,该存储体系结构可以较好地支持推测线程切换。     

拥有共享Cache和独享Cache的多机系统

本文提出了一种新颖的两级Cache结构的多机系统模型及其相应的管理策略,并圆满地解决了数据相关问题.该体系结构除了具有单一的共享或独享Cache的特点外,尤其适合于共享数据量较大的情形.通过对其性能的评价,我们指出了它较其它结构的优越性.     

一种Cache一致性协议验证中覆盖率驱动的随机验证方法

随机验证技术是当今大规模集成电路仿真验证流程中的一项重要支撑技术,覆盖率驱动的随机测试生成方法是目前该领域研究的热点之一。针对Cache一致性协议的验证目标,介绍一种引入基于朴素贝叶斯模型的机器学习来完善基于覆盖率驱动的随机验证的方法,并结合相关的实际验证过程对该方法进行了分析和讨论。     

Cache的数据一致性演示系统设计与实现

设计了一个Cache数据一致性演示系统,能演示Cache在采用不同的映象规则与不同写策略时的动态读写过程.