基于Pin的CMP Cache访问模拟与实现

摘要

现代处理器中层次化的Cache设计已成为缓和CPU和主存之间的速度差距的重要手段。随着芯片集成制造工艺的日益发展，拥有多级Cache结构的CMP处理器已成为桌面应用和高端计算的主流平台。 模拟技术在诸如军事、医学、科研等领域的工作中都有着不可忽视的作用。计算机硬件体系结构开发具有周期长、验证困难的特点，而模拟技术可以极大地弥补这一缺陷。而对于计算机软件应用领域，研究人员则可以通过模拟的方法分析软件运行行为，提出软件优化的方案。 本文针对当前Cache模拟的研究现状，以Pin工具软件为基础，提出并设计了一个面向当今主流计算平台——CMP体系架构下的Cache访问模拟器——CCSim，并从可扩展性和易用性角度对其进行了性能测试与分析。本文主要的工作和特色如下： 1.实现了传统访问方式下的CMP Cache模拟框架——CCSim。该框架包括三个模块：初始化模块、装载模块和Cache模拟模块。它采用Pin软件系统作为底层工具，良好地继承了Pin高性能的特性。此外，本文将Cache模拟模块和Pintool分离的设计方案更进一步优化了CCSim的性能。 2.在CCSim中给出了定义良好的Cache模型的组织设计方案，不仅可以模拟同构CMP的Cache模型，针对异构CMP结构的模拟也仅需要在参数设置和初始化方面做少许改动。此外，设计良好的替换算法和Cache一致性协议的接口可以方便用户添加新的算法和协议。本文还特别扩展了CCSim的Cache访问方式和Cache一致性协议，使其可以对最新的Barcelona四核处理器的Cache访问模式进行模拟。 3.使用CCSim对不同访问模式下的CMP Cache访问、共享Cache的竞争进行了模拟测试与结果分析，验证了CCSim的功能和可扩展性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2体系结构的发展

1.2.1工艺的进步

1.2.2技术的变革

1.3研究现状

1.4本文工作及章节安排

第2章并行体系机构和访存模型

2.1并行体系结构简介

2.2 CMP体系结构简介

2.2.1 CMP体系结构的特点

2.2.2 CMP与其它并行体系结构的比较

2.2.3 SMT与CMP中多线程的比较

2.3并行访存模型

2.3.1并行访存模型简介

2.3.2 CMP的Cache一致性

2.4小结

第3章Pin软件系统与Cache模拟

3.1 Pin软件系统简介

3.2 Pin的软件体系结构

3.3 Pin软件系统的优点

3.4 Cache模拟

3.4.1基于可执行文件驱动

3.4.2基于跟踪文件驱动

3.5小结

第4章CCSim的设计及实现

4.1 CCSim软件架构

4.2 CCSim的主要模块

4.2.1初始化模块

4.2.2装载模块

4.2.3 Cache模拟模块

4.3 Cache模拟模块的实现

4.3.1 Cache组织结构设计

4.3.2替换算法设计

4.3.3一致性协议设计

4.3.4 Cache模拟模块的流程

4.4 CCSim的流程

4.5对Barcelona的Cache结构的模拟

4.5.1 Barcelona的结构特点

4.5.2 Barcelona的Cache访问方式

4.5.3 Barcelona的Cache一致性协议

4.5.4 CCSim对Barcelona的模拟支持

4.6小结

第5章CCSim的性能测试

5.1简单的功能测试

5.1.1测试参数与方案

5.1.2实验结果与分析

5.2对Barcelona的模拟测试

5.2.1测试方案

5.2.2测试结果

5.3对CMP中竞争共享Cache的模拟测试

5.3.1 CMP中共享Cache的竞争

5.3.2测试方案

5.3.3测试结果

5.4小结

第6章结束语

6.1本文总结

6.2未来工作

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果