多核共享cache管理策略优化

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1、多核缓存管理策略研究摘要多核处理器(Multi-Processor)的快速发展，使其成为当今高性能微处理器发展的主潮流。随着多核处理器的普及、半导体工艺的进一步发展，芯片上将集成更多的核，这不仅给二级Cache结构的设计带来了更大挑战和压力，“存储墙”问题也将会变得日益明显和加剧。目前主流的多核处理器一般采用的是共享或者私有Cache结构。但是，单一的私有或者共享高速缓存的结构设计不能有效地权衡访问延迟与容量的关系，共享CACHE的结构能够充分有效地利用共享资源，但是访问速度会受到全局线延迟影响而变慢；私有CACHE的结构通过数据复制可以获得较快的访问速度，

2、然而，容量限制会导致较多的访问失效。如何有效地利用有限的多核共享资源，使得高速缓存最大程度的发挥作用，具有非常重要的意义。本文针对这些问题，分别对一级与二级高速缓存管理策略进行了研究，本文的主要研究内容与工作包括：1.基于共享指令Cache的缓存管理方法。一级高速缓存的技术难度和制造成本在各级缓存中都是最高的，所以充分的利用一级高速缓存对整个缓存的管理非常重要。本文提出两个核心共享相同的L1指令Cache、每个核私有L1数据Cache、多核共享最后一级缓存的结构，更好的利用总的高速缓存空间。实验表明，该管理方法在Cache命中率及IPC(CPU每一时钟周期内

3、所执行的指令数)都有一定提高。2.基于多核二级共享Cache的管理策略的优化。本文深入研究了多核处理器中二级Cache资源的组织与管理机制，提出了一种基于冒泡算法改进的Cache替换算法，还提出了在区分共享与私有数据的情况下，两种数据采用不同的Cache管理策略。Cache替换策略是缓存管理优化中的重要方法，本文采用冒泡替换算法同时考虑数据块被访问的频率和访问的最近信息的优点，改进该算法，实验表明，改进的算法虽然在硬件开销上有较少的增加，但有效的提升了Cache的命中率以及系统吞吐率；最后本文通过区分共享与私有的数据，两种类型的数据采用不同的替换策略的缓存管

4、理方法，提高共享数据在缓存中的存留时间来优化缓存管理，实验证明该方法在系统吞吐率与加权加速比上都有一定的提升。关键词：多核处理器；共享指令Cache；替换算法；系统吞吐率II工程硕士学位论文AbstractWiththerapiddevelopmentofMulti-Processor,itbecomesthemainstreamarchitectureofhighperformancemicroprocessor.Withthefurtherdevelopmentandpopularityofmulti-processorandsemiconductort

5、echnology,morecoreswillbeintegratedonachip,whichnotonlybringsmorechallengesandpressuretodesigncachestructure,butalsomaketheproblemof"memorywall"becomeincreasinglyobviousandintensified.Thecurrentmainstreammulti-processorusesasharedorprivatecachestructure.However,asinglesharedorpriva

6、tecachestructurecannoteffectivelybalancethecapacityandaccessdelay.Sharedcachestructurecaneffectivelyusetheresources,buttheglobalwiredelayresultinginsloweraccessspeed;privatecachestructurethroughdatareplicationgetfasteraccessspeed,butcapacityconstraintsleadtomoreaccessfailure.Howtoe

7、ffect-tivelyusethemulti-processorsharedresources,makingthecacheplaytothemaximumextent,hasveryimportantsignificance.Inviewoftheseproblems,ThisthesisstudiescachemanagementstrategybyL1andL2cacheinthisthesis.Themainresearchcontentsincluding:1.Cachemanagementmethodbasedonsharinginstruct

8、ioncache.Thecostoftechnica