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一种软硬结合的预取技术研究

作　者: 张百达
导　师: 唐玉华
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 高速缓存 预取 软硬件结合 SimpleScalar NPB
分类号: TP302
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


“存储墙”问题一直是影响计算机效能的挑战性问题。随着技术的发展,处理器和存储器的速度差异不断的增大,同时多核技术使得存储瓶颈更加严重。针对Cache失效中的强制性失效和容量失效,传统的硬件预取或软件预取都不能很好的改善性能,因为硬件预取只是基于程序的历史信息来预测程序未来的行为,导致了预取过于盲目;而软件预取需要增加大量额外的预取指令,造成了预取性能不佳。软硬件结合的预取技术可以很好的结合软件预取和硬件预取的优点,但仍处于研究阶段。本文对软硬件结合的数据预取技术展开了深入研究,提出了编译指导的基于访存预取表的预取技术。为了更好地利用编译信息来指导预取,本文提出了一套可视化的Cache访问特性分析方法来研究Cache的行为规律。使用该方法对实验数据分析表明:对大数组线性访问是造成Cache失效的一个关键因素。为了提高Cache性能,文中采用了增量式的研究思路,提出了基于预取触发地址的访存预测表预取技术,将编译时的访存模式信息编码到访存指令中来指导预取的进行。该技术有效避免了传统顺序预取方法预取效率低的问题,可以有效的降低Cache失效率。同时,提出了将Evict Me和编译指导的访存预测表预取相结合的技术,用来解决预取数据的替换问题。该技术可以避免预取带来的Cache抖动问题,有效降低对访存带宽的需求。最后,我们在SimpleScalar平台上实现了上述的技术,选用了NPB测试集进行了性能的测试。测试结果表明,编译指导的访存预测表预取技术可以在有效隐藏访存延时,提高Cache命中率,减少程序的执行时间。并且在结合了Evict Me技术后,能够进一步提高存储系统的性能。

全文目录


摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
第一章 绪论  12-16
  1.1 课题背景  12-13
  1.2 研究现状  13-14
  1.3 本文工作  14
  1.4 论文结构  14-16
第二章 相关研究工作  16-25
  2.1 基本概念  16-20
    2.1.1 局部性原理  16
    2.1.2 层次存储结构的基本概念  16-19
    2.1.3 访存模式  19-20
  2.2 相关工作  20-24
    2.2.1 预取技术  20-22
    2.2.2 软件管理的Cache技术  22-23
    2.2.3 编译器优化技术  23-24
  2.3 小结  24-25
第三章 对 Cache失效问题的研究  25-31
  3.1 现状及意义  25
  3.2 NPB的Cache行为分析  25-29
    3.2.1 可视化的分析方法  25-28
    3.2.2 分析与统计  28-29
  3.3 小结  29-31
第四章 软硬件结合的预取技术研究  31-46
  4.1 编译指导的失效时预取  31-35
    4.1.1 基本思想  32-33
    4.1.2 编译指导的失效时预取  33-35
    4.1.3 设置预取标志位的编译算法框架  35
  4.2 编译指导的基于访存预测表的预取技术  35-42
    4.2.1 基本思想  35-38
    4.2.2 对RPT技术的改进  38
    4.2.3 编译指导的RPT技术  38-41
    4.2.4 设置预取标志位的编译算法框架  41-42
  4.3 编译指导的基于访存预测表的预取+编译指导的替换策略  42-45
    4.3.1 基本思想  42
    4.3.2 实现  42-43
    4.3.3 设置替换标志位的编译算法框架  43-45
  4.4 小结  45-46
第五章 性能评测  46-57
  5.1 测试环境  46-48
    5.1.1 模拟器  46-48
    5.1.2 Benchmark  48
  5.2 测试方案  48-49
  5.3 实验结果分析  49-56
    5.3.1 编译指导的失效时预取技术性能分析  49-53
    5.3.2 编译指导的基于访存预测表的预取技术性能分析  53-54
    5.3.3 编译指导替换策略和预取的基于访存预测表的预取技术性能分析  54-56
  5.4 小结  56-57
第六章 结束语  57-59
  6.1 主要工作  57
  6.2 未来展望  57-59
致谢  59-60
参考文献  60-63
攻读硕士学位期间取得的学术成果  63-64
攻读硕士学位期间参加的科研工作  64

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 一般性问题 > 设计与性能分析
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