軟硬件協(xié)同支持的多核事務(wù)存儲體系結(jié)構(gòu).pdf

1、隨著多核平臺的普及，如何利用多核加速串行應(yīng)用的執(zhí)行已成為學術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的熱點研究問題。而傳統(tǒng)的顯式鎖同步機制自身就有著高復(fù)雜性、易錯性和性能保守等天然缺陷，從根本上限制了并行程序的可擴展性和編程效率，也限制了對多核資源的充分利用。為了開發(fā)更多的多核結(jié)構(gòu)上可利用的線程級并行性，利用事務(wù)存儲（Transactional Memory，TM）技術(shù)來解決并行程序正確性維護給并行編程帶來的復(fù)雜性和對性能的制約問題，已成為學術(shù)界和工業(yè)界的共

2、識。本文從有效開發(fā)應(yīng)用中的線程級并行性入手，著眼于高效能、易編程和可兼容這三個目標，通過軟硬件協(xié)同的方式對多核事務(wù)存儲體系結(jié)構(gòu)展開深入研究，使之既能提高多核芯片片上計算資源的有效利用率，又能有效降低并行編程難度，平滑移植傳統(tǒng)應(yīng)用軟件。
　　 本文從軟硬件協(xié)同多核事務(wù)存儲體系結(jié)構(gòu)的線程劃分和線程執(zhí)行兩個方面開展了深入系統(tǒng)的研究，涉及結(jié)構(gòu)模型、編程模型、性能分析模型、離線剖析指導(dǎo)線程劃分機制和在線剖析指導(dǎo)線程執(zhí)行機制等方面的內(nèi)容。主

3、要研究內(nèi)容和成果包括：(1)對兩種主流線程級推測并行技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了詳細而深入的調(diào)研，通過對其軟硬件支持機制的分析與比較，提出了一種新型的軟硬件協(xié)同支持的多核事務(wù)存儲體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。該系統(tǒng)在線程劃分中采用軟件線程級推測技術(shù)思想，而在線程執(zhí)行時采用硬件事務(wù)存儲技術(shù)支持，并通過離線剖析和在線剖析技術(shù)來協(xié)同各種軟硬件因素，達到了同時提高程序性能和降低并行編程難度的雙重目標。(2)在軟件線程劃分方面，從簡化并行編程和提高并行執(zhí)行性能的角度

4、出發(fā)，提出了一套線程級推測并行性的判定準則、研究方法和剖析機制，確定了利用離線剖析技術(shù)來實現(xiàn)基于事務(wù)存儲的線程劃分方案。并依據(jù)該機制設(shè)計并實現(xiàn)了一套線程級推測并行性離線剖析工具集OpenPro。(3)利用OpenPro工具集，對桌面應(yīng)用、多媒體應(yīng)用和高性能計算應(yīng)用中影響線程級推測并行性的關(guān)鍵因素進行剖析，從應(yīng)用本身并行潛能的角度探討了“當前多核技術(shù)路線還能走多遠”和“如何認識線程級推測并行技術(shù)的技術(shù)適應(yīng)面”這兩個問題，獲得了諸如單個程序

5、僅能有效利用16核的計算資源是當前多核技術(shù)路線的拐點等一些重要認識。(4)在線程執(zhí)行支持機制方面，從可擴展性好和易于硬件實現(xiàn)這兩個目標出發(fā)，提出了一種支持優(yōu)先級判定的基于目錄的高速緩存一致性協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計和完成了一種利用運行時庫機制同時支持線程級推測和事務(wù)存儲語義的分布式可擴展多核事務(wù)存儲處理器PTT硬件模擬器。該處理器設(shè)計突破了以往類似方案中總線等集中式結(jié)構(gòu)對硬件系統(tǒng)可擴展性的限制，同時實現(xiàn)了可擴展性好和易于硬件設(shè)計實現(xiàn)的目標

6、；而這套采用積極版本管理和積極檢測機制的分布式硬件事務(wù)存儲機制會自動維護硬件系統(tǒng)的一致性，極大地減少了程序員在進行并行程序設(shè)計時的繁雜工作和復(fù)雜程度。這對于普及并行程序設(shè)計，提高并行程序生產(chǎn)力都有著非常重要的意義。(5)提出了一種針對線程級推測并行技術(shù)的PCL性能分析模型，并依據(jù)該模型提出了將在線剖析技術(shù)引入PTT硬件模擬平臺的最終技術(shù)方案。同時通過對PTT系統(tǒng)多種軟硬件手段實現(xiàn)機制的分析與協(xié)同，分別從正確性、有效性和靈活可配置性三個層

7、次對其進行了充分的評測和分析。
　　 本文的研究工作獲得了如下一些重要的認識：(1）將線程級推測技術(shù)與事務(wù)存儲技術(shù)結(jié)合起來，通過軟硬件因素的合理協(xié)調(diào)，可以有效地開發(fā)出串行程序中潛在的線程級并行性，同時有效地降低并行編程的難度，極大地提高并行程序設(shè)計生產(chǎn)力。(2)在目前以傳統(tǒng)超標量單核構(gòu)造多核芯片的技術(shù)路線下，著眼于同時兼顧硬件的有效利用率和盡可能挖掘程序中固有的并行性，在加速單個串行應(yīng)用時，部分依賴嚴重的應(yīng)用（如SPEC和一些依

8、賴嚴重的科學計算程序等）采用2-4核就已經(jīng)足夠；而多數(shù)多媒體應(yīng)用和高性能計算應(yīng)用采用8-16核來加速比較合適；一些特別適合的應(yīng)用則可以有效利用64-128核及以上的計算資源。(3)雖然現(xiàn)在線程級推測并行技術(shù)在桌面應(yīng)用這樣一些程序中數(shù)據(jù)依賴嚴重的應(yīng)用中效果不佳，但在部分擁有大計算量、推測線程粒度適中并且存在模糊依賴的多媒體和高性能計算應(yīng)用中還是適宜采用的。線程級推測并行技術(shù)最大的優(yōu)勢是其兼容性與易編程性，只要在這兩點上做好文章，實現(xiàn)多數(shù)經(jīng)