CC-NUMA多機系統(tǒng)Cache一致性研究.pdf

1、高速緩存一致的非對稱訪存系統(tǒng)(CC-NUMA)是當前被廣泛應用的多機系統(tǒng)之一。與傳統(tǒng)的MIMD系統(tǒng)一樣，Cache一致性問題也是CC-NUMA系統(tǒng)必須首先解決的問題。因為其對系統(tǒng)性能和可擴展性等方面都有重要的影響。本文介紹并分析了當前國內外的CC-NUMA系統(tǒng)在解決Cache一致性問題上所采用的幾種協(xié)議以及其在系統(tǒng)性能和可擴展性方面所存在的不足之處。針對這些不足,提出了一種應用于CC-NUMA系統(tǒng)的基于兩級目錄協(xié)議的目錄-數(shù)據(jù)Cache

2、結構。
　　具體而言,即是在 CC-NUMA的目錄存儲器(第二級目錄)上增加一個目錄Cache(第一級目錄),其中第一級目錄使用有限（Limited）目錄協(xié)議,第二級目錄使用全映射（full-map）目錄協(xié)議。文中稱此為兩級目錄協(xié)議。同時通過對目錄Cache進行字擴展的方式,在共享數(shù)據(jù)存儲器層上增加了一個數(shù)據(jù) Cache層,文中稱此Cache結構為基于兩級目錄協(xié)議的目錄-數(shù)據(jù)Cache結構。另外,為了避免出現(xiàn)目錄項溢出問題,又設計

3、了一種名為共享加權LRU的Cache替換算法。
　　然后從系統(tǒng)性能以及可擴展性方面,分析比較了兩級目錄與全映射目錄和有限映射目錄在空間復雜度的優(yōu)劣。證明兩級目錄在空間復雜度較有限映射增加很小的代價下,其性能接近或超過了全映射目錄。同時又有效避免了制約有限目錄性能的目錄項溢出問題。最后使用通用的測試程序對共享加權LRU算法在Cache命中率方面,與經(jīng)典LRU進行了對比測試。證明共享加權LRU算法在代價很小的前提下,保證了高共享數(shù)據(jù)處

4、于Cache中,進一步降低了發(fā)生目錄項溢出的概率。
　　在此基礎上,本文主要針對兩級目錄結構的設計思想,采用了硬件描述語言(VHDL)對其進行了邏輯實現(xiàn)和模擬仿真。首先,我們對基于兩級目錄的目錄-數(shù)據(jù)Cache結構從功能上對其進行了模塊劃分,分配了每個模塊所要完成的功能。其次,在認真分析模塊與模塊之間關聯(lián)關系的基礎上,詳細描述了我們在設計與實現(xiàn)過程中的關鍵技術。第三,對所劃分的模塊采用硬件描述語言 VHDL進行具體的設計與實驗。第

5、四,通過目錄-數(shù)據(jù)Cache系統(tǒng)的性能分析實驗,對基于兩級目錄的目錄-數(shù)據(jù)體系的功能和整體性能進行了初步的模擬和測試。
　　模擬和測試結果表明,應用于CC-NUMA系統(tǒng)的目錄-數(shù)據(jù)Cache結構,有效地克服了系統(tǒng)性能以及可擴展性（scalability）與目錄存儲開銷之間的矛盾,且能很好地解決Cache數(shù)據(jù)一致性的問題。而邏輯綜合結果表明目錄-數(shù)據(jù)Cache結構的實現(xiàn)復雜度低,硬件開銷也相對較小,能夠較好的滿足CC-NUMA系統(tǒng)的