發(fā)布時間：2017-09-01 19:30

  本文關(guān)鍵詞：基于CPU緩存的進程綁定研究

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【摘要】：在過去的20多年中,CPU的處理速度和內(nèi)存的訪問速度差距越來越大,處理器的性能以每年大約55%速度快速提升,而內(nèi)存性能的提升速度則只有每年10%左右,形成了所謂“存儲墻”現(xiàn)象。不均衡的發(fā)展速度造成了當前內(nèi)存的存取速度嚴重滯后于處理器的計算速度,內(nèi)存瓶頸對日益增長的高性能計算形成了極大的制約。但緩存技術(shù)的出現(xiàn)極大的緩解了這一現(xiàn)象,而對緩存的優(yōu)化也成為了近幾年的研究熱點之一。隨著多核技術(shù)的發(fā)展,多個處理器對有限的末級緩存空間的競爭造成的緩存“抖動”現(xiàn)象嚴重的影響了緩存的效率。而造成緩存“抖動”現(xiàn)象的實質(zhì)是進程間的干擾,緩存替換算法不會對緩存中所存儲的數(shù)據(jù)塊的對應(yīng)進程有感知,造成緩存內(nèi)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)塊的重復(fù)替換。并且由于上級緩存對數(shù)據(jù)的過濾,造成了LRU替換算法在末級緩存上的效率不高。所以,提出一個效率更高的緩存替換策略是優(yōu)化緩存最直接的方案之一。針對LRU作為末級緩存替換算法由于線程間的干擾造成緩存抖動而降低緩存效率的現(xiàn)象,本文提出了基于進程綁定的IBP替換算法,通過將進程與緩存進行綁定,使得緩存對所存儲的數(shù)據(jù)塊的對應(yīng)進程有所感知,在進行數(shù)據(jù)塊替換時會根據(jù)其綁定狀態(tài)及其它關(guān)鍵參數(shù)選用不同的替換策略。進程綁定在一定程度上避免了緩存中數(shù)據(jù)塊的干擾,粗粒度的從替換算法的角度實現(xiàn)了對緩存空間的劃分,對關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊進行了保護,緩解了末級緩存中的緩存“抖動”現(xiàn)象,提高了緩存的效率。最后本文通過實驗表明在相同運行環(huán)境下,運行多組不同負載,IBP替換算法相較于傳統(tǒng)的LRU替換算法的運行時間減少了7%左右,并且隨著核數(shù)的增加對緩存效率的提升也更加明顯。這一結(jié)論也為未來對緩存優(yōu)化進行更深入的研究奠定了理論基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：存儲墻 緩存抖動 進程綁定 IBP替換策略
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP333
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 緒論8-14
• 1.1 課題背景8-9
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀9-11
• 1.3 論文的主要工作11-12
• 1.4 論文的組織結(jié)構(gòu)12-14
• 第2章 CPU緩存機制研究現(xiàn)狀14-26
• 2.1 緩存原理及關(guān)鍵技術(shù)14-15
• 2.2 地址映射15-19
• 2.2.1 全相連映射15-16
• 2.2.2 直相連映射16-18
• 2.2.3 組相連映射18-19
• 2.3 數(shù)據(jù)一致性19-20
• 2.4 緩存層次劃分20-22
• 2.4.1 按路劃分20-21
• 2.4.2 按頁劃分21-22
• 2.5 緩存替換策略22-24
• 2.5.1 經(jīng)典緩存替換算法22-24
• 2.6 本章小結(jié)24-26
• 第3章 CPU緩存機制優(yōu)化及GEM5實現(xiàn)架構(gòu)26-36
• 3.1 CPU緩存替換策略優(yōu)化26-31
• 3.1.1 基于最近使用時間的緩存替換算法26-27
• 3.1.2 基于使用頻率的緩存替換算法27-29
• 3.1.3 基于LRU的替換策略29-31
• 3.2 其他CPU緩存優(yōu)化策略31-32
• 3.3 基于進程綁定的IBP緩存替換算法32-33
• 3.4 Gem5實現(xiàn)架構(gòu)33-34
• 3.4.1 Gem5全系統(tǒng)模擬架構(gòu)33-34
• 3.4.2 Gem5模擬平臺仿真模型34
• 3.5 本章小結(jié)34-36
• 第4章 基于進程綁定的IBP替換算法設(shè)計36-46
• 4.1 問題概述36
• 4.2 LRU替換算法的不足36-39
• 4.2.1 末級緩存的抖動現(xiàn)象36-38
• 4.2.2 LRU的不公平性38-39
• 4.3 基于進程綁定的IBP替換算法設(shè)計39-45
• 4.3.1 進程綁定方案設(shè)計39-40
• 4.3.2 IBP替換算法設(shè)計40-45
• 4.4 本章小結(jié)45-46
• 第5章 基于進程綁定的IBP替換算法實現(xiàn)46-62
• 5.1 進程綁定實現(xiàn)46-47
• 5.2 IBP替換算法實現(xiàn)47-52
• 5.2.1 IBP替換算法模塊的建立47-49
• 5.2.2 IBP替換算法的實現(xiàn)49-52
• 5.3 實驗環(huán)境52-54
• 5.3.1 負載組成53-54
• 5.4 實驗方案54-55
• 5.5 實驗結(jié)果及分析55-61
• 5.6 本章小結(jié)61-62
• 結(jié)論62-64
• 參考文獻64-70
• 攻讀碩士學位期間所發(fā)表的學術(shù)成果70-72
• 致謝72

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本文編號：773990