多核系統(tǒng)減少內(nèi)存干擾技術(shù)的研究.pdf

1、現(xiàn)代多核系統(tǒng)中，處理器性能與內(nèi)存性能間的不均衡發(fā)展導(dǎo)致當(dāng)前內(nèi)存的存儲(chǔ)速度嚴(yán)重滯后于處理器的計(jì)算速度，從而形成“內(nèi)存墻”?！皟?nèi)存墻”問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了多核處理器的性能發(fā)揮，一直是制約計(jì)算機(jī)整體性能的重要因素。現(xiàn)代多核系統(tǒng)通常共享最后一級(jí)緩存(LLC)和DRAM主存，其中DRAM是很重要的共享資源。多核系統(tǒng)中，并發(fā)執(zhí)行的程序?qū)蚕碣Y源的爭(zhēng)奪愈演愈烈，隨之帶來(lái)嚴(yán)重的線程間的內(nèi)存干擾。線程間的內(nèi)存干擾會(huì)降低DRAM內(nèi)存系統(tǒng)的響應(yīng)速度，進(jìn)而拉大訪存延

2、遲，擴(kuò)大處理器與內(nèi)存之間在性能上的差距，使得“內(nèi)存墻”問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能和公平性下降。另外，線程間的內(nèi)存干擾還會(huì)引發(fā)線程的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。如何減少內(nèi)存干擾已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題。
　　本文以減小內(nèi)存干擾，提高系統(tǒng)性能、公平性為目標(biāo)，結(jié)合操作系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)理論，從操作系統(tǒng)角度提出一種通過(guò)減少內(nèi)存干擾提高系統(tǒng)性能的軟件解決方案——PseudoShare框架。PseudoShare框架充分利用DRAM性能優(yōu)化的

3、原則，在保證DRAM Bank并行性的前提下劃分DRAM Bank，將來(lái)自不同核上線程的訪存請(qǐng)求映射到專屬的內(nèi)存Bank組上，從而減少不同核上的線程在DRAM Bank上的Row Buffer沖突，即減少線程間的內(nèi)存干擾，提高系統(tǒng)整體性能。本文主要工作如下：
　　(1)本文詳細(xì)分析了程序性能與Bank并行性之間的關(guān)系，得出結(jié)論：程序?qū)ank數(shù)量的需求是有限的，所以可以給每個(gè)程序分配Bank時(shí)只分配給它所需要的Bank數(shù)，滿足它的

4、容量需求，保證Bank并行性。
　　(2)本文提出了內(nèi)存感知的頁(yè)分配策略BAPA。這是一種新的內(nèi)存分配算法，與當(dāng)前操作系統(tǒng)默認(rèn)的頁(yè)分配策略不同的是BAPA能感知到DRAM Bank的存在，注重于在保證Bank并行性的前提下減少內(nèi)存沖突。該策略的核心思想為DRAM Bank劃分機(jī)制，避免了原有算法對(duì)資源分配的盲目性，從而減小線程間在DRAM Bank上的內(nèi)存干擾。
　　(3)本文提出了頁(yè)分配與組調(diào)度融合的PseudoShare

5、框架，劃分線程和內(nèi)存成線程組和內(nèi)存組，每個(gè)線程組運(yùn)行在一個(gè)CPU核心上，且占用一個(gè)內(nèi)存組，形成一個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)。然后進(jìn)行內(nèi)存帶寬劃分，消除因共享內(nèi)存帶寬帶來(lái)的性能和公平性下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PseudoShare在4核/8核平臺(tái)下都提高了系統(tǒng)整體性能和公平性，并平均降低了5.3％的功耗。
　　(4)本文采用純軟件的方式解決內(nèi)存干擾問(wèn)題，在Linux內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)了PseudoShare框架，無(wú)需更改硬件，從而避免修改復(fù)雜硬件邏輯帶來(lái)的時(shí)