【摘要】： 內(nèi)存已成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的主要瓶頸之一,它的訪問(wèn)速度通常比處理器慢上數(shù)百倍。為縮小內(nèi)存和處理器間的速度差異,cache得到了普遍應(yīng)用。它對(duì)計(jì)算機(jī)性能的影響也隨內(nèi)存延時(shí)和程序內(nèi)存需求的持續(xù)增加而日益增大。Cache工作的基礎(chǔ)是程序?qū)?shù)據(jù)訪問(wèn)的局部性�，F(xiàn)有的設(shè)計(jì)較少關(guān)注各級(jí)cache數(shù)據(jù)訪問(wèn)的本地局部性特征以及不同程序或者程序的不同階段對(duì)數(shù)據(jù)的不同訪問(wèn)行為,因此,難以使cache充分適應(yīng)多樣化的局部性,限制了cache的性能。本文從新的角度分析了程序?qū)Ω骷?jí)cache的不同使用行為特征,提出了基于使用行為的cache設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)cache性能優(yōu)化。 針對(duì)L1 cache,本文研究了它的缺失局部性。采用本文提出的短缺失周期作為程序階段的標(biāo)尺,本文觀察到L1 cache的缺失主要來(lái)自少數(shù)幾個(gè)泄漏組,并且,這些泄漏組具有良好的連續(xù)性和可預(yù)測(cè)性�；谏鲜霈F(xiàn)象,本文提出了使用泄漏組緩存結(jié)構(gòu)來(lái)減少低關(guān)聯(lián)度cache的缺失局部性。通過(guò)預(yù)測(cè)泄漏組的出現(xiàn)位置,泄漏組緩存于運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地緩存這些泄漏組,在不影響訪問(wèn)延時(shí)的前提下減少?zèng)_突缺失。 在L2 cache中,傳統(tǒng)的LRU替換策略對(duì)大于cache容量的工作集表現(xiàn)極差,導(dǎo)致了大量較少重用塊的出現(xiàn),此時(shí),可通過(guò)只在cache中保留一部分工作集來(lái)提高性能。現(xiàn)有解決方案通過(guò)過(guò)濾未重用塊來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),但是受到未重用塊數(shù)量的嚴(yán)格限制,它們可能由于未重用塊的缺乏而失效。本文提出了一種新的基于重用頻率的過(guò)濾機(jī)制。該過(guò)濾機(jī)制通過(guò)預(yù)測(cè)和過(guò)濾掉較少重用塊而不單單是未重用塊,可以增加將程序工作集最頻繁訪問(wèn)的部分容納入cache的可能性,克服了現(xiàn)有的只過(guò)濾未重用塊的機(jī)制的缺陷。本文還提出了較少重用過(guò)濾器(LRF)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述機(jī)制。LRF利用重用頻率預(yù)測(cè)器從數(shù)據(jù)訪問(wèn)流中準(zhǔn)確識(shí)別出較少重用塊。同時(shí),基于本文觀察到的較少重用塊的生命周期較短的特性,LRF將過(guò)濾出的塊放入過(guò)濾緩存以充分利用,防止它們引發(fā)額外的缺失。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,LRF在不對(duì)L2 cache的替換策略做任何修改的情況下,可提高有不同使用行為的程序性能。為一個(gè)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的512KB LRU管理的L2 cache增加包含512單元過(guò)濾緩存的LRF,平均能夠降低27.5%的MPKI,縮小LRU和OPT間74.4%的性能差距。比較表明,在相同的硬件代價(jià)下,LRF在性能上優(yōu)于最新的其它方案。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：TP333.1

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