一种基于DDR4控制器的访存调度优化策略

摘要

在过去的三十年摩尔定律推动着处理器体系架构的不断进步，但存储系统的发展却远远落后于处理器。一方面存储系统性能的提升依赖于自身架构的改进、核心算法的完善、以及硬件技术的提升，另一方面也依赖于内存控制器的性能。一般来说，存储系统包括了缓存和内存两大部分，当最后一级缓存失效时，处理器发出的访存请求就需要访问内存，并且由内存控制器控制访存请求发送给内存进行读写。内存控制器作为内存和缓存之间建立连接的枢纽，对内存访问的访存速度有着重要影响，内存控制器中的访存调度策略便是基于优化访问顺序，提高访存速度而设计的。
　　本研究在深入分析DDR4新增加的Bankgroup结构的基础上，仔细分析了Bankgroup结构带来的读写时序特性的变化，不同类型的访问请求以不同的顺序发送到不同地址的内存单元时，要满足不同的时间约束，进而推导出函数模型用来描述D D R4中前后两个请求之间的间隔关系。同时，结合Ramulator模拟器重点研宄了内存控制器的结构和功能，并根据构建的时序函数模型，以提高系统吞吐率和公平性为原则，设计了一种新的调度方式，该方式以访问请求的Bankgroup的地址为分组，组内和组间采用不同的调度方式，同时为了兼顾公平性，设置了防饿死机制，并相应地优化了调度模块，仲裁模块，以及地址映射等模块，从而完成对内存控制器的优化设计。为了验证设计的调度策略的正确性和有效性，以衡量CPU性能的标准测试程序SPEC CPU2006为样本，在Ramulator模拟器上实现设计的调度策略并运行样本程序得到实验结果，通过分析访存请求的执行顺序和时间约束验证调度策略的正确性。其次，模拟单核和多核两种不同情况，通过使用不同的调度策略分别运行模拟器，得到在不同调度策略下系统的IP C值和公平性指标。实验数据表明，设计的调度策略相比于FCFS方式，系统的IPC值有了26.13％的提高，相比于FRFCFS方式有3.23%的提高；并且系统的读延时相比于FCFS方式有33.19%的下降，相比于FRFCFS方式有3.15%的下降。同时计算得到的双核系统的不公平指数为1.28，四核系统的不公平指数为1.49，趋近于1，保证了服务质量;八核系统下不公平指数为2.28，略有提升，但是也基本保证了系统公平性。

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