面向多核處理器的令牌一致性協(xié)議優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、多核體系結(jié)構(gòu)是目前工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究主流。多核體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要方面是 Cache一致性協(xié)議設(shè)計(jì)，Cache一致性協(xié)議的優(yōu)劣對(duì)系統(tǒng)的性能有重要影響。傳統(tǒng)的Cache一致性協(xié)議包括監(jiān)聽協(xié)議和目錄協(xié)議。監(jiān)聽協(xié)議依賴于共享總線，可擴(kuò)展性差。目錄一致性協(xié)議依賴于目錄節(jié)點(diǎn)進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)，Cache失效延遲大。令牌協(xié)議是一種Cache一致性設(shè)計(jì)的新思路。它以傳遞和收集令牌的方式實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求操作，可在無序網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)，具有失效延遲低、擴(kuò)展性相對(duì)較好等優(yōu)點(diǎn)。

2、
　　本文針對(duì)多核處理器中令牌協(xié)議的優(yōu)化問題展開研究，主要取得以下研究成果：
　　1.提出了一種基于預(yù)測(cè)器降低令牌協(xié)議通信量的方法。
　　令牌協(xié)議基于廣播，但廣播產(chǎn)生的大量無用消息浪費(fèi)了很多網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，制約了令牌協(xié)議的可擴(kuò)展性。針對(duì)這一問題，本文提出了一種基于預(yù)測(cè)器降低令牌協(xié)議通信量的方法。根據(jù)應(yīng)用程序的讀/寫失效的比例和令牌協(xié)議的自身特征，設(shè)計(jì)了三種預(yù)測(cè)策略：Owner、Sharer和Hybrid。Owner策略旨

3、在消除讀失效引起的廣播；Sharer策略用于避免寫失效的廣播；Hybird策略適合于讀/寫失效平衡，規(guī)模小的程序。試驗(yàn)結(jié)果表明：Owner、Sharer和Hybrid分別降低了3.3％、10.7%、7%的連接通信量。在端點(diǎn)通信量方面，Owner、Sharer和Hybrid分別降低了29%、28%、13%的控制類消息和26%、30%、15%的數(shù)據(jù)類消息。本文針對(duì)實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，不同預(yù)測(cè)器的物理設(shè)計(jì)約束，分析了容量與協(xié)議通信量、失效延遲之間的關(guān)

4、系，提出最優(yōu)預(yù)測(cè)器的配置方案。
　　2.提出了一種令牌協(xié)議的功耗模型。
　　本文提出了一種基于廣播的令牌協(xié)議功耗模型。該模型建模了廣播請(qǐng)求消息產(chǎn)生的片上互連功耗、響應(yīng)消息引起的訪問私有L1 Cache的功耗、傳輸應(yīng)答消息引起的片上互連功耗，涵蓋了請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間的距離、多核處理器的規(guī)模、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)保存數(shù)據(jù)的概率、以及預(yù)測(cè)器命中率和成功率等參數(shù)。基于此模型，定性分析了預(yù)測(cè)器命中率和成功率對(duì)協(xié)議功耗的影響。最后，本文利用GEM

5、S模擬器評(píng)估了三種預(yù)測(cè)策略對(duì)功耗的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：Owner、Sharer和Hybrid分別降低了21%、19.8%、18.8%的路由器功耗和2%、4.3%、2%的鏈路功耗。
　　3.提出了一種基于代理目錄的避免餓死機(jī)制。
　　令牌協(xié)議中，由于瞬態(tài)請(qǐng)求缺乏順序性，多個(gè)寫瞬態(tài)請(qǐng)求競(jìng)爭(zhēng)訪問數(shù)據(jù)時(shí)將產(chǎn)生“餓死”現(xiàn)象；令牌“飛行”在傳輸鏈路上時(shí)的“不可用”現(xiàn)象也會(huì)導(dǎo)致請(qǐng)求被“餓死”。本文提出了一種基于代理目錄的避免餓死機(jī)制。該機(jī)

6、制結(jié)合了基于Token Tenure的令牌計(jì)數(shù)規(guī)則和基于代理目錄的目錄協(xié)議，分別通過令牌計(jì)數(shù)規(guī)則保證協(xié)議的多讀單寫規(guī)則和 Token Tenure方法保證協(xié)議的前進(jìn)，而且代理目錄DeleDir還可以降低訪問延遲。本文評(píng)估了新型令牌協(xié)議DeleDir-ALL的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：DeleDir-ALL的執(zhí)行速度比目錄協(xié)議快11%，比基于廣播的令牌協(xié)議速度快1.7%。在失效延遲方面，DeleDir-ALL的平均失效延遲比目錄協(xié)議低2.3%，

7、比基于廣播的令牌協(xié)議低1.9%。
　　4.提出了一種面向令牌協(xié)議的共享數(shù)據(jù)遷移特征檢測(cè)方法。
　　基于寫作廢的協(xié)議中，具有遷移特征的訪問意味著請(qǐng)求者產(chǎn)生兩次請(qǐng)求，一次讀請(qǐng)求和一次寫請(qǐng)求，如果提前發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遷移特征，就可以將兩次通信合并為一次，進(jìn)而降低協(xié)議的通信量。本文提出了共享數(shù)據(jù)遷移特征檢測(cè)方法。通過在數(shù)據(jù)塊引入標(biāo)志位，記錄最近一次寫者LW、最近一次讀者LR和最近一次操作類型Lop，并根據(jù)擁有者的令牌數(shù)量判斷系統(tǒng)中數(shù)據(jù)共享

8、副本的數(shù)量實(shí)現(xiàn)遷移特征的檢測(cè)。本文在令牌協(xié)議中應(yīng)用了該探測(cè)方法，通過增加MG狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了能在RRMP與MRMP之間自適應(yīng)轉(zhuǎn)換的一致性協(xié)議。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該檢測(cè)方法以每個(gè)數(shù)據(jù)塊13位標(biāo)識(shí)位的硬件開銷，降低了平均9%的端點(diǎn)通信量和7.8%的連接通信量，并且分別降低了7.5%的鏈路功耗和1%的路由器功耗。
　　5.提出了一種面向令牌協(xié)議的共享數(shù)據(jù)生產(chǎn)消費(fèi)特征檢測(cè)方法。
　　對(duì)于基于廣播的令牌協(xié)議來說，如果消費(fèi)者提前獲知生產(chǎn)者位置，就