高性能存儲(chǔ)系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問速度與處理器的運(yùn)算速度的差距越來越顯著，訪存性能已成為提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的瓶頸。如何通過設(shè)計(jì)高性能存儲(chǔ)系統(tǒng)彌補(bǔ)處理器與存儲(chǔ)系統(tǒng)性能的差距長(zhǎng)期以來是體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文從提高處理器的IPC值和優(yōu)化處理器的訪存延時(shí)及帶寬的角度出發(fā)，結(jié)合分析龍芯2號(hào)處理器運(yùn)行SPEC CPU2000測(cè)試程序的訪存行為特征，對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)性能優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行研究，提出了一系列存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能優(yōu)化技術(shù)并對(duì)所提出的優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行性能評(píng)測(cè)與分析。本文主

2、要的創(chuàng)新點(diǎn)及貢獻(xiàn)包括： 1．通過對(duì)Cache寫失效行為的分析，提出一種新的提高處理器帶寬利用率的Cache寫失效處理策略——Cache自適應(yīng)寫分配策略。該策略在訪存失效隊(duì)列中收集全修改Cache塊，對(duì)全修改Cache塊采用非寫分配策略，并能夠自適應(yīng)地切換為寫分配策略。與傳統(tǒng)的Cache寫失效處理策略相比，Cache自適應(yīng)寫分配策略硬件代價(jià)小，避免了不必要的數(shù)據(jù)傳輸，降低Cache污染，減少存儲(chǔ)管理隊(duì)列阻塞的頻率。結(jié)果表明，采用C

3、ache自適應(yīng)寫分配策略，STREAM基準(zhǔn)測(cè)試程序帶寬平均提高62.6％，SPEC CPU2000程序的IPC值平均提高5.9％。 2．通過對(duì)棧訪問行為的分析，提出一種棧高速緩存方案——快速地址計(jì)算的自適應(yīng)棧高速緩存組織方案。該方案將棧訪問從數(shù)據(jù)高速緩存的訪問中分離出來，充分利用?？臻g數(shù)據(jù)訪問的特點(diǎn)，提高指令級(jí)并行度，減少數(shù)據(jù)高速緩存污染，降低數(shù)據(jù)高速緩存失效率，并采用快速地址計(jì)算策略，減少棧訪問的命中時(shí)間。該棧高速緩存在發(fā)生棧

4、溢出時(shí)，能夠自適應(yīng)地關(guān)閉，以避免棧切換對(duì)處理器性能的影響。棧高速緩存標(biāo)志中增加進(jìn)程標(biāo)識(shí)，進(jìn)程切換時(shí)不需要將數(shù)據(jù)寫到低層存儲(chǔ)系統(tǒng)中，適用于多進(jìn)程環(huán)境。SPEC CPU2000程序運(yùn)行結(jié)果表明，采用快速地址計(jì)算的自適應(yīng)棧高速緩存方案，25.8％的訪存指令可以并行執(zhí)行，數(shù)據(jù)高速緩存失效率平均降低9.4％，IPC值平均提高6.9％。 3．通過對(duì)指令Cache和數(shù)據(jù)Cache失效行為的分析，提出一種預(yù)取策略——結(jié)合訪存失效隊(duì)列狀態(tài)的預(yù)取策略。該

5、預(yù)取策略保持了指令和數(shù)據(jù)訪問的次序，有利于預(yù)取流的提取。并將指令流和數(shù)據(jù)流的預(yù)取相分離，避免相互替換。在預(yù)取發(fā)起時(shí)機(jī)的選擇上，結(jié)合訪存失效隊(duì)列的狀態(tài)，減小對(duì)處理器正常訪問請(qǐng)求的影響。通過流過濾機(jī)制提高預(yù)取準(zhǔn)確性，降低預(yù)取對(duì)訪存帶寬的需求。結(jié)果表明，采用結(jié)合訪存失效隊(duì)列狀態(tài)的預(yù)取策略，處理器的平均訪存延時(shí)減少30％，SPEC CPU2000程序的IPC值平均提高8.3％。 4．通過對(duì)內(nèi)存訪問地址的空間局部性分析，提出一種內(nèi)存控制策

6、略——處理器核指導(dǎo)的內(nèi)存Page模式控制策略。該策略由處理器核指導(dǎo)，自適應(yīng)地根據(jù)程序訪存地址的空間局部性特征動(dòng)態(tài)調(diào)整Page模式，融合Open Page策略和Close Page策略的優(yōu)點(diǎn)。處理器核通過真實(shí)的未來訪存行為進(jìn)行內(nèi)存Page模式的指導(dǎo)，比現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)Page模式控制策略根據(jù)歷史信息進(jìn)行預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確。處理器核在發(fā)送訪存請(qǐng)求時(shí)，結(jié)合已經(jīng)發(fā)出請(qǐng)求的Page信息進(jìn)行調(diào)度，使Page模式控制策略更好地發(fā)揮作用。結(jié)果表明，采用處理器核指導(dǎo)