多核處理器中目錄控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用需求的不斷提高，多核處理器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，多核處理器與傳統(tǒng)的單核處理器相比具有很高的性價(jià)比，能夠充分開發(fā)程序的并行性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中的各個(gè)領(lǐng)域。在多核處理器的發(fā)展過(guò)程中，高速緩存（Cache）一致性問(wèn)題始終是影響多核處理器性能提升的熱點(diǎn)問(wèn)題，而基于目錄的Cache一致性協(xié)議（簡(jiǎn)稱“目錄協(xié)議”）是目前常用的一種解決Cache一致性問(wèn)題的方法。但是，隨著多核處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，處理器核的數(shù)量以及片上網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度快速增

2、長(zhǎng)，導(dǎo)致目錄協(xié)議的實(shí)現(xiàn)代價(jià)越來(lái)越大，在一定程度上影響了多核處理器性能的提升，因此簡(jiǎn)潔高效的目錄協(xié)議的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，在多核處理器技術(shù)中具有重要的理論研究?jī)r(jià)值和工程實(shí)用價(jià)值，而目錄控制器作為基于目錄協(xié)議的關(guān)鍵部件，也具有重要的研究?jī)r(jià)值。
　　本文通過(guò)深入分析基于目錄的Cache一致性協(xié)議的工作原理以及各級(jí)Cache在目錄協(xié)議下的行為規(guī)則，總結(jié)了目錄協(xié)議的核心部件——目錄控制器（DCU）的工作原理及工作流程，并以此為指導(dǎo)完成了DCU的

3、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，本文充分考慮了DCU在實(shí)際工作中可能遇到的問(wèn)題，并找到了相應(yīng)的解決辦法。
　　為了避免DCU在工作過(guò)程中出現(xiàn)死鎖，本文對(duì)DCU進(jìn)行了死鎖避免設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)為每類一致性事務(wù)都設(shè)計(jì)了專用的緩沖器，并適當(dāng)增加了緩沖器的隊(duì)列深度。當(dāng)監(jiān)聽隊(duì)列緩沖器(SnpBuf)中沒(méi)有剩余足夠的空間來(lái)接收下一個(gè)監(jiān)聽事務(wù)時(shí)，DCU將停止產(chǎn)生新的監(jiān)聽事務(wù)，并對(duì)該請(qǐng)求事務(wù)發(fā)出不成功響應(yīng)，釋放占用的硬件資源。
　　為了均衡監(jiān)聽請(qǐng)求

4、，避免單個(gè)L2Cache頻繁作為監(jiān)聽請(qǐng)求的數(shù)據(jù)提供者，從而導(dǎo)致本地處理器核等待，本文對(duì)DCU進(jìn)行了均衡監(jiān)聽設(shè)計(jì)。均衡監(jiān)聽設(shè)計(jì)就是通過(guò)在目錄項(xiàng)（DirEntry）中加入數(shù)據(jù)提供者標(biāo)識(shí)位（F），利用F的值來(lái)標(biāo)識(shí)相應(yīng)的L2Cache是否作為監(jiān)聽請(qǐng)求的數(shù)據(jù)提供者，確保一個(gè)L2Cache不會(huì)連續(xù)多次成為監(jiān)聽請(qǐng)求的數(shù)據(jù)提供者，從而達(dá)到均衡監(jiān)聽負(fù)載的目的。
　　此外，DCU中目錄組（DirWay）的訪問(wèn)周期為2個(gè)時(shí)鐘周期，為了加快DirWay的

5、運(yùn)行速度，設(shè)計(jì)將每個(gè)DirWay設(shè)計(jì)成兩個(gè)單端口RAM（DirWayH和DirWayL），并對(duì)二者進(jìn)行交叉編址。每個(gè)訪問(wèn)請(qǐng)求都會(huì)根據(jù)訪問(wèn)地址中Index[6]的值選擇二者之一進(jìn)行訪問(wèn)。根據(jù)時(shí)空局部性原理可知，連續(xù)訪問(wèn)請(qǐng)求的地址很可能是相鄰的（Index[6]的值不同），此時(shí)連續(xù)的請(qǐng)求會(huì)分別訪問(wèn)DirWayH和DirWayL，實(shí)現(xiàn)一個(gè)時(shí)鐘周期完成一個(gè)訪問(wèn)請(qǐng)求。
　　最后，本文對(duì)DCU進(jìn)行了功能驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，DCU能夠正確實(shí)現(xiàn)全