本文選題：編譯技術(shù)　切入點(diǎn)：便簽存儲(chǔ)器　出處：《武漢大學(xué)》2013年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：處理器與片外存儲(chǔ)之間的性能差距日益增大,使得片外存儲(chǔ)的訪問性能成為影響計(jì)算性能的瓶頸,稱為“存儲(chǔ)墻”。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn),現(xiàn)代商業(yè)計(jì)算設(shè)備中廣泛地應(yīng)用了片上存儲(chǔ)的方案,以緩解處理器與存儲(chǔ)設(shè)備之間的性能差距。片上存儲(chǔ)器通常包括片上緩存和便簽存儲(chǔ)器(Scratch pad memory,SPM)。片上緩存在計(jì)算設(shè)備中得到非常廣泛的應(yīng)用,包括高性能移動(dòng)電話、平板電腦、筆記本、臺(tái)式機(jī)以及服務(wù)器等。SPM則是一種軟件管理的片上存儲(chǔ),通常被應(yīng)用于能耗和芯片面積受限的嵌入式系統(tǒng)。傳統(tǒng)的片上存儲(chǔ)通常使用SRAM技術(shù)。但是,隨著CMOS晶體管的集成度越來越高,SRAM片上存儲(chǔ)的泄露功耗日益成為一個(gè)非常嚴(yán)峻的問題。并且,SRAM存儲(chǔ)單元需要占用較大的芯片面積,也成為制約SRAM技術(shù)伸縮能力的一個(gè)瓶頸。 非易失性存儲(chǔ)(Non-volatile memory, NVM),因?yàn)榫哂袠O低的泄露功耗和較高的存儲(chǔ)密度,提供了解決存儲(chǔ)器中泄露功耗問題以及伸縮能力的新途徑。隨著NVM技術(shù)的進(jìn)步,已經(jīng)有一些新的NVM技術(shù),包括Spin-transfer torque random-access memory(STT-RAM)和Phase change memory (PCM),在訪問速度上能夠跟SRAM相媲美。綜合考慮這些優(yōu)勢(shì),近年來研究者們提出使用NVM技術(shù)來構(gòu)建片上存儲(chǔ)。然而,NVM技術(shù)通常具有一個(gè)很明顯的缺陷,就是相比SRAM而言,寫操作通常代價(jià)很大,即寫速度要慢很多,寫能耗要高很多。因此,要想將NVM技術(shù)應(yīng)用于片上緩存,就必須想辦法來利用NVM的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)解決寫操作代價(jià)很高的問題。 本論文的研究表明,可以利用編譯技術(shù)來充分利用NVM技術(shù)在低泄露功耗和高存儲(chǔ)密度上的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)緩解寫操作代價(jià)高帶來的問題。具體來說,本論文包括以下三個(gè)方面的內(nèi)容：1)提出一種編譯輔助的方法,來改善基于NVM的混合SPM的能耗效率；2)提出一種編譯輔助的方法,來改善基于NVM的混合緩存的能耗效率；3)提出一種編譯輔助的方法,來改善基于易失性NVM的緩存的能耗效率。 針對(duì)第一個(gè)方面的內(nèi)容,本文提出一種基于圖著色模型的數(shù)據(jù)分配方法,來改善基于NVM和SRAM的混合SPM的性能。任何一個(gè)寫操作或者讀操作,都具有運(yùn)行時(shí)間的代價(jià)和能耗的代價(jià)。跟NVM相比,SRAM在具有較高的寫性能的同時(shí)具有較差的讀性能。因此,一個(gè)良好的數(shù)據(jù)分配方法應(yīng)該根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)象的讀寫頻率來為數(shù)據(jù)對(duì)象選擇合適的存儲(chǔ)類型。此外,生命期不相交的數(shù)據(jù)對(duì)象能夠共享存儲(chǔ)地址而不會(huì)影響程序的正確性。利用這個(gè)特點(diǎn),可以尋找更多的機(jī)會(huì)將數(shù)據(jù)對(duì)象分配到最適合的存儲(chǔ)類型�；谶@些考慮,本論文提出了一種稱為迭代圖著色(Iterative graph-coloring, IGC)的方法將數(shù)據(jù)對(duì)象分配到最合適的存儲(chǔ)類型來改善混合SPM的性能。 針對(duì)第二個(gè)方面的內(nèi)容,提出了一種減少基于NVM和SRAM的混合緩存中的遷移操作的方法,來改善混合緩存的性能。如上所述,跟NVM相比,SRAM在具有較高的寫性能的同時(shí)具有較差的讀性能�；旌暇彺嬷型ǔＲ眠w移機(jī)制來動(dòng)態(tài)地將寫密集的數(shù)據(jù)塊從NVM部分遷移到SRAM部分,從而消除發(fā)生在NVM上的代價(jià)高昂的寫操作。但是,硬件實(shí)現(xiàn)的遷移操作是基于簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)機(jī)制,通過遷移可能的寫密集的數(shù)據(jù)塊來實(shí)現(xiàn)的�；谶@種預(yù)測(cè)機(jī)制的遷移機(jī)制可能會(huì)導(dǎo)致頻繁的遷移操作,造成緩存內(nèi)部的“抖動(dòng)”,從而損害系統(tǒng)性能。本論文提出一種編譯輔助的方法,識(shí)別可能引起過度遷移的數(shù)據(jù)塊,將這些數(shù)據(jù)塊從內(nèi)存中預(yù)取到混合緩存的SRAM部分并加以鎖定,從而禁止對(duì)這些緩存行進(jìn)行遷移操作。這樣,就可以充分利用SRAM的良好的寫性能,同時(shí)消除這些數(shù)據(jù)塊引起的頻繁的遷移操作帶來的代價(jià)。 針對(duì)第三個(gè)方面的內(nèi)容,提出一種減少基于易失性NVM的緩存上的刷新操作的方法,來改善緩存的性能。為了保證易失性的緩存中數(shù)據(jù)的完整性,刷新機(jī)制是不可或缺的。然而,頻繁的刷新操作會(huì)帶來非常顯著的代價(jià)。分析表明通過數(shù)據(jù)分配可以影響緩存的刷新操作。這是因?yàn)?當(dāng)程序?qū)懭胍粋�(gè)數(shù)據(jù)時(shí),事實(shí)上該數(shù)據(jù)所在的整個(gè)緩存塊已經(jīng)全部被隱式地刷新了�；谶@個(gè)發(fā)現(xiàn),本論文提出借助數(shù)據(jù)分配來改變程序的寫操作在各個(gè)緩存塊上的分布,利用寫操作引起的隱式刷新來減少額外所需的刷新操作,進(jìn)而改善緩存的性能。
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【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TP314;TP333

【共引文獻(xiàn)】

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3 何炎祥;李清安;陳勇;吳偉;徐超;江南;;基于函數(shù)調(diào)用圖的靜態(tài)數(shù)據(jù)分配[J];武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版);2013年06期

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本文編號(hào)：1651592