多核操作系统中共享内存管理技术的研究

摘要

随着微处理器技术的不断发展和应用需求对计算能力要求的不断提升，片上多核处理器已经成为了处理器发展的趋势。多核系统的出现，加剧了程序对共享资源访问的冲突。因此，针对系统中共享资源的管理效率会对系统性能产生很大影响。
　　内存系统是由一组可并行执行的存储阵列(Bank)组成的，对其使用效率的高低直接决定了系统性能的好坏。对内存的访问延时除了受基础的硬件性能制约外，还受访存序列在Bank间的并行执行能力以及Bank上的冲突概率等因素的影响。然而传统的内存优化管理技术并不能很好的解决在多核系统上由多任务竞争使用内存而导致的访存性能下降问题。
　　针对此问题，本文研究了基于操作系统的内存管理机制的多核访存管理方法。其基本思想是在分页路径上增加页面内存位置可感知的决策，以此来实现对任务使用内存区的指定，进而实现了任务对内存的可控访问。由于现有操作系统的分页功能，对每一个进程分配的物理地址是随机选择的，所以在内存区域的映射具有随机性，多核上同时运行的进程会在内存上产生很大的干扰。采用了本论文提出的方法后，能够有效地为不同核上的进程指定使用的Bank，从而减少这种冲突。
　　目前大多数的研究均是采用基于分页控制的方法来管理多核上Cache的访问，来减少不同核上的进程在Cache上产生的冲突。本研究是对现有的基于分页控制的Cache管理方法的有效补充和完善，在综合考虑分页策略在Cache和内存中映射的基础上提出的研究策略。同时，由于在不同核上运行的进程具有不同的优先级，针对实时应用的需求，本论文增加了基于优先级驱动的对Bank间请求的管理方法。
　　为了验证本文策略的效果，本文在全系统模拟器Simics和GEMS上进行了实验。从实验结果中可以看到，本方法有效的避免了由于任务间冲突而导致的程序执行时间增加和执行时间不可预测的问题，提高了多核系统的可应用性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究目标和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文组织结构

第2章 背景知识

2．1 DRAM的存储结构

2．1．1 现代DRAM的结构及特点

2．1．2 Rank的概念

2．1．3 Bank的组织结构

2．1．4 通道的概念

2．1．5 DRAM中的拓扑组织结构

2．2 内存访问的基本时间

2．2．1 内存访问时在Bank上的流程

2．2．2 Bank发出的基本命令

2．2．3 内存访问调度问题

2．3 DRAM内存控制器

2．3．1 DRAM控制器体系结构

2．3．2 Row buffer管理策略

2．3．3 地址映射机制

2．4 本章小结

第3章 策略设计

3．1 多核系统中访存问题的分析

3．2 页着色设计

3．2．1 传统的分页策略

3．2．2 页着色(Page Color)策略

3．3 内存感知的分页策略研究

3．3．1 SMP结构下页着色策略的研究

3．3．2 CMP结构中页着色策略的研究

3．4 操作系统中内存感知分页策略设计

3．5 基于任务优先级的Bank访问管理方法研究

3．6 本章小结

第4章 系统实现

4．1 页着色技术在操作系统中的具体实现

4．1．1 用户接口层

4．1．2 映射层实现

4．1．3 分页层实现

4．2 硬件实验平台选择

4．2．1 全系统模拟器Simics介绍

4．2．2 内存模拟模块GEMS

4．3 GEMS中open page mode的实现

4．4 用Page Color策略实现Bank的隔离

4．5 GEMS上实现Bank访问按优先级管理

4．6 本章小结

第5章实验结果与分析

5．1 SMP系统上页着色策略实验分析

5．1．1 实验配置

5．1．2 实验测试集

5．1．3 实验测试

5．1．4 实验结果分析

5．2 CMP系统上页着色策略实验分析

5．2．1 实验配置

5．2．2 实验结果

5．2．3 实验结果分析

5．3 基于优先级的Bank请求管理实验分析

5．3．1 实验结果

5．3．2 实验结果分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 未来工作及展望

参考文献

致谢

科研项目和论文发表情况