發(fā)布時(shí)間：2017-09-01 19:30

  本文關(guān)鍵詞：基于CPU緩存的進(jìn)程綁定研究

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【摘要】：在過(guò)去的20多年中,CPU的處理速度和內(nèi)存的訪問(wèn)速度差距越來(lái)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(chǔ)墻”現(xiàn)象。不均衡的發(fā)展速度造成了當(dāng)前內(nèi)存的存取速度嚴(yán)重滯后于處理器的計(jì)算速度,內(nèi)存瓶頸對(duì)日益增長(zhǎng)的高性能計(jì)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(duì)緩存的優(yōu)化也成為了近幾年的研究熱點(diǎn)之一。隨著多核技術(shù)的發(fā)展,多個(gè)處理器對(duì)有限的末級(jí)緩存空間的競(jìng)爭(zhēng)造成的緩存“抖動(dòng)”現(xiàn)象嚴(yán)重的影響了緩存的效率。而造成緩存“抖動(dòng)”現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是進(jìn)程間的干擾,緩存替換算法不會(huì)對(duì)緩存中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)塊的對(duì)應(yīng)進(jìn)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(jí)緩存對(duì)數(shù)據(jù)的過(guò)濾,造成了LRU替換算法在末級(jí)緩存上的效率不高。所以,提出一個(gè)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(duì)LRU作為末級(jí)緩存替換算法由于線程間的干擾造成緩存抖動(dòng)而降低緩存效率的現(xiàn)象,本文提出了基于進(jìn)程綁定的IBP替換算法,通過(guò)將進(jìn)程與緩存進(jìn)行綁定,使得緩存對(duì)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)塊的對(duì)應(yīng)進(jìn)程有所感知,在進(jìn)行數(shù)據(jù)塊替換時(shí)會(huì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)緩存空間的劃分,對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊進(jìn)行了保護(hù),緩解了末級(jí)緩存中的緩存“抖動(dòng)”現(xiàn)象,提高了緩存的效率。最后本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明在相同運(yùn)行環(huán)境下,運(yùn)行多組不同負(fù)載,IBP替換算法相較于傳統(tǒng)的LRU替換算法的運(yùn)行時(shí)間減少了7%左右,并且隨著核數(shù)的增加對(duì)緩存效率的提升也更加明顯。這一結(jié)論也為未來(lái)對(duì)緩存優(yōu)化進(jìn)行更深入的研究奠定了理論基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：存儲(chǔ)墻 緩存抖動(dòng) 進(jìn)程綁定 IBP替換策略
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：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(guó)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(jī)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(yè)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(jī)制優(yōu)化及GEM5實(shí)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(shí)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(jìn)程綁定的IBP緩存替換算法32-33
• 3.4 Gem5實(shí)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(tái)仿真模型34
• 3.5 本章小結(jié)34-36
• 第4章 基于進(jìn)程綁定的IBP替換算法設(shè)計(jì)36-46
• 4.1 問(wèn)題概述36
• 4.2 LRU替換算法的不足36-39
• 4.2.1 末級(jí)緩存的抖動(dòng)現(xiàn)象36-38
• 4.2.2 LRU的不公平性38-39
• 4.3 基于進(jìn)程綁定的IBP替換算法設(shè)計(jì)39-45
• 4.3.1 進(jìn)程綁定方案設(shè)計(jì)39-40
• 4.3.2 IBP替換算法設(shè)計(jì)40-45
• 4.4 本章小結(jié)45-46
• 第5章 基于進(jìn)程綁定的IBP替換算法實(shí)現(xiàn)46-62
• 5.1 進(jìn)程綁定實(shí)現(xiàn)46-47
• 5.2 IBP替換算法實(shí)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(shí)現(xiàn)49-52
• 5.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境52-54
• 5.3.1 負(fù)載組成53-54
• 5.4 實(shí)驗(yàn)方案54-55
• 5.5 實(shí)驗(yàn)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(xiàn)64-70
• 攻讀碩士學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)成果70-72
• 致謝72

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本文編號(hào)：773990