一种支持操作系统的硬件事务内存系统

本文分析了目前提出的硬件事务内存系统在支持线程切换及迁移、内存页置换、系统调用等方面存在的问题,并提出了新的支持操作系统的实现方案DTM。DTM采用单独的面向事务处理的一致性协议来检测及仲裁事务间冲突,与传统的事务内存系统相比,DTM具有实现简单、可扩展性好及性能上的优势。     

一种基于微日志的持久性事务内存系统

近年来,研究者们针对持久性内存良好的性能,设计了轻量级的持久性事务内存系统,它通过日志机制保证了事务的原子性和一致性.然而,相比于传统内存,持久性内存的存储单元往往具有更高的写延迟,并且存在有限的耐久性.发现现有的持久性事务内存系统存在日志机制带来过多的写操作问题：一方面,现有系统没有区分出事务中不同类型的写操作,即无论是对内存中已有数据的更新操作还是向事务中新分配区域添加数据的写操作,现有系统都采用相同的日志机制保证它们的一致性;另一方面,现有系统将更新操作的地址和数据等字段完整地持久化到日志中,即使其中大部分数据都可以通过压缩算法减少写入量.这2方面导致了冗余的日志操作,带来了额外的写延迟和写磨损.为了解决上述问题,设计并实现了一种基于微日志的持久性事务内存系统TLPTM,主要提出2个优化技术：1)分配操作感知的日志优化策略(allocation-aware log optimization, AALO),AALO有效地避免了向事务中新分配区域添加数据的写操作产生的日志开销;2)基于压缩算法的日志优化策略(compression-based log optimization, CBLO),CBLO将日志数据压缩后再写入到日志中,减少了日志操作的写开销.测试结果表明：相比于Mnemosyne,提出的日志优化策略AALO将事务性能提高了15%~24%,基于提出的2种优化技术实现的TLPTM将日志的写入总量降低了70%~81%.     

基于C#语言的事务内存系统

事务内存是一种新的易于使用的同步技术,能使多线程程序高效地并行执行,目前大多数事务内存系统都处于研究实验阶段,尚未具备实际应用价值,或需要依赖特殊硬件实现。针对该现状,提出一种利用C#语言设计与实现的纯软件的事务内存系统,包括事务对象定义以及对事务对象的并行访问方法,并给出处理事务冲突的策略。实验结果表明,该系统是一种高效简洁的同步实现机制。     

一种基于SystemC的系统级软硬件协同设计新模型

分析了SystemC的建模特性,提出了一种基于SystemC的系统级设计新模型,即从系统功能描述开始逐步细化,建立模型间通信抽象的事务模型,对抽象通信具体化,最后形成通信模型。以此为基础进行RTL级综合,完成软硬件协同设计。本方法应用于一款导航芯片的设计,有效地缩短了研制周期,降低了开发成本,提高了系统设计质量。     

基于多代理系统的软硬件协同设计

为使软硬件协同设计过程更具分布性、自主性及并行性,在软硬件协同设计中引入多代理(MAS)技术,提出软硬件协同设计的MAS模型,包括系统描述Agent、软硬件划分及映射Agent、软硬件设计Agent、协同通信Agent、性能评估Agent和硬件系统测试Agent的构建和应用。采用多个目标代理映射、协商的方法协调整个协同设计过程。实际应用表明,该方法能优化系统级芯片设计方案、软硬件结构和功能,并提高系统整体性能。     

一种基于时间戳的高扩展性的持久性软件事务内存

新兴的非易失性内存(non-volatile memory, NVM)具有字节寻址、持久性、大容量和低功耗等优点,然而,在NVM上进行并发编程往往比较困难,用户既要保证数据的崩溃一致性又要保证并发的正确性.为了降低用户开发难度,研究人员提出持久性事务内存方案,但是现有持久性事务内存普遍存在扩展性较差问题.测试发现限制扩展性的关键因素在于全局逻辑时钟和冗余NVM写操作.针对这2个方面,提出了线程逻辑时钟方法,通过允许每个线程拥有一个独立时钟,消除全局逻辑时钟中心化问题;提出了缓存行感知的双版本方法,为数据维护2个版本,通过循环更新这2个版本来保证数据的崩溃一致性,从而消除冗余的NVM写操作.基于所提出的这2个方法,实现了一个基于时间戳的高扩展的持久性软件事务内存(scalable durable transactional memory, SDTM),对比测试显示,在YCSB负载下,与DudeTM和PMDK相比,SDTM的性能最多分别提高了2.8倍和29倍.     

基于SystemC和ISS的软硬件协同验证方法

随着SoC的出现和发展，软硬件协同验证已经成为当前的研究热点。本文对传统的基于ISS的软硬件协同验证方法进行改进，提出了一种基于SystemC和ISS的软硬件协同验证方法。该方法使用SystemC分别对系统进行事务级、寄存器传输级的建模，在系统验证早期进行无时序的软硬件协同验证，后期进行时钟精确的软硬件协同验证。并对仿真速度进行了优化。同传统的基于ISS的软硬件协同验证方法相比，该方法保证了软硬件的并行开发，且仿真速度快、调试方便，是一种高效、高重用性的软硬件协同验证方法。     

基于SystemC的嵌入式系统软硬件协同设计

提出了一种基于SystemC的嵌入式系统软硬件协同设计方法。SystemC是OSCI(OpenSystemCIni tiative)组织制定和维护的一种开放源代码的C 建模平台 ,提供支持硬件建模和仿真的C 类库及相应的仿真内核。通过SystemC的支持 ,该方法在整个嵌入式系统设计流程内使用C 语言来统一描述硬件和软件 ,实现软硬件的协同设计和仿真。该方法同传统的设计方法相比更加灵活和有效。     

集群上软件事务内存的层次化冲突检测

大多数事务内存研究都在多核处理器上进行,只有少数研究针对集群计算环境。现有的集群事务内存性能较差,因为事务内存的运行需要进行大量的远程内存访问,而集群的内存分布性使得远程内存访问的性能较差。事务内存运行中的冲突检测是进行远程内存访问最多的操作。我们提出了一种层次化的冲突检测方法,将其分为两个步骤进行,这种层次化的策略可以使集群上的软件事务内存获得高性能。     

一种高效Cable Modem SOC软硬件协同验证平台

通过对基于龙芯一号CPU的双向有线调制解调器SOC的研究,利用软件仿真和硬件模拟相结合的方法,设计了一种软硬件协同验证平台TWCNP,可分别对EuroDOCSIS协议栈、EuroDOCSIS协议处理器、整个双向有线网络SOC等软硬件进行验证,并实现了验证和设计的统一.为了提高TWCNP的验证时效性,提出了一种基于TWCNP-OS的软硬件协同验证方法,缩短了开发周期,保证了SOC设计的可靠性.     

事务存储系统

多核处理器性能的发挥依靠程序的并行,共享存储并行编程模型为大多数多核处理器所采用,而有效同步多个线程对共享变量的访问是其关键、也是难题.借鉴数据库中事务的思想,人们提出事务存储(transactional memory),旨在提供一种编程简单,对程序正确性推理容易的同步手段.简介了事务存储的起源,诠释了事务存储系统的概念.论述了事务存储的编程接口和执行模型.讨论了事务存储系统所涉及的主要内容,对各种方法和策略进行了比较.对事务存储中有待解决的问题进行了探讨.最后介绍了几个开源的事务存储研究平台.     

事务内存机制在系统安全中的应用:现状与展望

为了提高并行程序中共享内存数据的读写访问性能,事务内存机制于1993年被提出。因为事务内存机制直接涉及内存数据的读写控制,所以也得到了系统安全研究人员的极大关注。2013年,Intel公司开始支持TSX（Transactional Synchronizatione Xtension）特性,第一次在广泛使用的计算机硬件中支持事务内存机制。利用事务内存机制的内存访问跟踪、内存访问信号触发和内存操作回滚,以及Intel TSX特性的用户态事务回滚处理、在Cache中执行所有操作和硬件实现高效率,研究人员完成了各种的系统安全研究成果,包括：授权策略实施、虚拟机自省、密钥安全、控制流完整性、错误恢复和侧信道攻防等。本文先介绍了各种基于事务内存机制的研究成果;然后分析了现有各种系统安全研究成果与事务内存机制特性之间的关系,主要涉及了3个角度：内存访问的控制、事务回滚处理、和在Cache中执行所有操作。我们将已有的研究成果的技术方案从3个角度进行分解,与原有的、不基于事务内存机制的解决方案比较,解释了引入事务内存机制带来的技术优势。最后,我们总结展望了将来的研究,包括：硬件事务内存机制的实现改进,事务内存机制（尤其是硬件事务内存机制）在系统安全研究中的应用潜力。     

事务存储:具有容错特性的并发控制机制

随着多核处理器的发展,开发线程级并行成为提升应用程序执行性能的必要手段,这使得事务存储作为一种具有良好支持线程级并行前景的并行编程机制受到越来越多的关注。本文首先从事务存储系统的冲突检测机制和数据版本管理机制的角度对事务存储系统进行了分类;然后总结综述了目前主要的事务存储系统的实现方式;最后从容错的角度重新审视了事务存储,我们认为事务存储本身具有良好的容错特性,可以自然地与一些主要的容错技术结合,实现高效的故障隔离、检测及恢复。     

Reducing Transaction Processing Latency in Hardware Transactional Memory-based Database with Non-volatile Memory

The emergency of Hardware Transactional Memory (HTM) has greatly boosted the transaction processing performance in in-memory databases. However, the group commit protocol, aiming at reducing the impact from slow storage devices, leads to high transaction commit latency. Non-Volatile Memory (NVM) opens opportunities for reducing transaction commit latency. However, HTM cannot cooperate with NVM together: flushing data to NVM will always cause HTM to abort. In this paper, we propose a technique called parity version to decouple the process of HTM execution and NVM write. Thus, the transactions can correctly and efficiently use NVM to reduce their commit latency with HTM. We have integrated this technique into DBX, a state-of-the-art HTM-based database, and propose DBXN: a low-latency and high-throughput in-memory transaction processing system. Evaluations using typical OLTP workloads including TPC-C show that it has 99% lower latency and 2.1 times higher throughput than DBX.     

面向数据库的持久化事务内存

硬件事务内存(hardware transactional memory, HTM)和可字节寻址的非易失性内存(nonvolatile memory, NVM)已经可以在新的计算机设备中使用.使用HTM确保一致性和隔离性,使用NVM确保持久性,组合使用两者可以实现满足原子性、一致性、隔离性和持久性(atomicity, consistency, isolation and durability, ACID)特性的事务.ACID事务在数据库中非常有价值,但由于数据库事务通常较大,其面临的挑战是HTM固有的容量限制和争用水平.首先提出了一种通过HTM进行ACID事务处理的软硬件解决方案——持久化HTM(persistent HTM, PHTM).使用2种方法来消除PHTM的局限性:1)持久化混合事务内存(persistent hybrid TM, PHyTM),允许PHTM事务与支持任意大小的纯软件事务(software transactional memory, STM)并发执行;2)分离事务执行(split transaction execution, STE)算法,该算法为关系数据库事务量身定制,解决了大多数事务超过PHTM的容量限制的问题.简而言之,讨论了利用NVM将HTM扩展到ACID数据库事务的问题.     

采用向量时钟的软件事务存储算法

在多核处理器上,事务存储是一种有望取代锁的同步手段。软件事务存储不需要增加额外硬件支持,就可以充分利用当前商业多核处理器的多线程能力。提出一种软件事务存储实现算法VectorSTM,该算法不需要使用原子操作。VectorSTM采用分布的向量时钟来跟踪各线程事务执行情况,能够提供更高的并发度。对事务存储基准程序STAMP的测试表明,VectorSTM在性能或者语义上比软件事务存储算法TL2和RingSTM有优势。     

Certifying Concurrent Programs Using Transactional Memory

Transactional memory (TM) is a new promising concurrency-control mechanism that can avoid many of the pitfalls of the traditional lock-based techniques. TM systems handle data races between threads automatically so that programmers do not have to reason about the interaction of threads manually. TM provides a programming model that may make the development of multi-threaded programs easier. Much work has been done to explore the various implementation strategies of TM systems and to achieve better perfor...     

基于冗余事务的事务存储系统的错误检测

针对事务存储系统下的错误检测问题,提出了一种基于冗余事务的事务存储系统的错误检测方法(error detection by redundant transaction, EDRT).该方法为每个事务创建一个副本事务,并利用富余的处理器核资源同时执行原始事务和副本事务,通过比较原始事务和副本事务的执行结果达到检测错误的目的.在检错比较数据集的获取上,EDRT方法利用了事务存储系统自身的版本管理机制,实现了对用户透明的在线接近最小数据比较集的获取.将EDRT方法应用于日志事务存储系统,提出了针对容错日志事务存储系统的设计问题的解决方法.最后,使用了包括4个SPLASH-2典型用例在内的5个测试程序对该方法进行了验证测试,实验结果表明EDRT检错方法相对整个程序的平均检错开销在3.68%左右,而相对于程序内事务部分的平均检错开销也只有12.07%左右.通过与双模冗余检错方法(dual modular redundancy error detection mechanism, DMR)的对比,EDRT方法与DMR方法的平均检错开销比只有0.05%左右.