众核系统动态分区Cache一致性协议与分区内负载感知广播机制研究

摘要

众核处理器在片上集成了数十到数百个轻量级处理核，通过开发线程级的并行性来提高运算能力，众核核数竞赛已经成为微处理器架构的趋势。在众核系统中，处理核资源充足，一方面，这要求系统能够有效的利用空闲资源，另一方面，核与核直接的通信代价是制约系统整体性能的重要因素。
　　研究表明，随着众核处理器核数目的增加，Cache一致性协议的性能急剧下降，现有的全局Cache一致性在大规模的众核系统中并不可行。具体的说，随着多播和广播通信的增加，片上互连网络（Network-on-Chip，NoC）的通信负载急剧增加、吞吐率急剧下降，这说明现有的NoC结构无法有效地支持Cache一致性产生的众多全局多播、广播包。
　　对此，一种主流的方法是对众多处理核进行分区，每个分区包含若干处理核，一个分区运行一个任务，分区之间不共享资源。基于这一任务级的分区机制，本文从三个方面提出机制，以支持分区内的Cache一致性协议，提高Cache一致性协议和分区内核间通信的性能：第一，在Token一致性协议的基础上，提出改进的分区内Token一致性协议，减少了Token协议的通信代价。第二，在逻辑分区与物理分区概念的基础上，提出基于bLBDR的NoC层分区间通信隔离方法，在路由器内使用较少的存储空间就能实现分区间的通信隔离，同时支持分区的重叠。第三，在分区间通信隔离的基础上，提出负载均衡的广播路由算法，进一步优化分区内广播的性能。算法根据通信负载情况动态变化路由方式，从而在高低通信负载的情况下都能取得较低的时延。
　　本文基于Noxim NoC仿真器，对支持负载感知广播的路由器进行了硬件建模，对比传统双路径广播和xy树广播进行注包实验；同时，基于Graphite众核处理器模拟器，对三种广播算法进行了行为建模，并分别运行Benchmark测试集进行实验。实验结果表明，不论在低通信负载还是高通信负载的条件下，负载均衡的广播路由算法均能取得较低的通信时延。

目录

声明

主要符号缩略词对照表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 众核处理器

1.3 众核系统资源调度机制

1.4 众核处理器当前研究现状

1.5 论文研究意义和目标

1.6 论文结构

第二章 Cache一致性协议和广播路由研究现状

2.1 Cache一致性协议

2.2 多播/广播机制

2.3 本章小结

第三章 分区内的Token Cache一致性协议

3.1 分布式共享内存

3.2 操作系统的内存管理

3.3 Token Cache一致性协议

3.4 Token Cache一致性协议的优缺点

3.5 分区内的Token协议

3.6 本章小结

第四章 分区内的负载感知的广播机制

4.1 众核系统定义

4.2 系统假设

4.3 基于bLDBR的逻辑分区机制

4.4 分区内的广播

4.5 负载感知的广播路由

4.6 本章小结

第五章 仿真与性能评估

5.1 Noxim

5.2 基于Noxim的综合测试

5.3 Graphite

5.4 基于Graphite的Benchmark测试方案

5.5 实验结果分析

5.6 本章小结

第六章 结束语

6.1 论文主要工作

6.2 论文主要成果与创新

6.3 后续研究工作

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文