● 摘要
提升多核处理器片上缓存的性能，提升其利用效率成为目前处理器研究中的热点问题。片上末级缓存，由于其容量大，且位于处理器和内存间数据交换的最后一道缓冲，寻找提升其利用效率的方法研究更成为国内外学术界研究的焦点问题之一。本文主要针对这个问题展开研究，取得如下的成果：（1）提出了一种在多核处理器共享末级缓存中，能同时缓解死块现象和竞争污染问题的伪分区机制LvtPPP。目前国内外的研究大都是单独考虑死块现象或单独考虑竞争污染问题，提出优化缓存利用效率和性能的方法。本文通过分析和大量的实验发现，这两个因素，不仅会显著的影响缓存的利用效率，而且它们之间也会相互影响，很多的分区机制在缓解竞争污染的同时，会显著改变缓存行的生命周期，可能会出现超长死块或死块比例显著升高的情况。在LvtPPP机制中，通过加入一个缓存线的活跃期保护计数器LvtP，跟踪缓存行的生命周期。当缓存块处于活跃期时，必须对其进行保护，但当缓存块处于死亡期时，这种保护则没有必要，此时缓存块需要尽快移出缓存以有效提升缓存利用效率。据调研，LvtPPP是较早的同时考虑死块现象和竞争污染问题来优化缓存利用效率的方法。通过在全系统模拟器Simics中针对SPEC CPU2000/2006基准测试程序的实验模拟分析，LvtPPP机制与典型的分区机制UCP和伪分区机制PIPP比较，主要的性能指标均有较大的提升。（2）提出了一种适合多核处理器共享末级缓存的死块判断方法------基于访问堆栈的死块识别方法。以前的国内外的相关研究中提出的死块判断方法大多基于传统的LRU替换算法而不是缓存分区机制，并且依据缓存块的历史信息表来识别是否为死块，存储开销大，并且识别的精度与存储开销正相关。本文提出的基于访问堆栈的死块识别方法，由于充分利用了访问请求序列的请求数量，多个请求相互间的关系以及对缓存块生命周期的影响等信息，不需要历史信息表，存储开销小，适用于缓存分区机制。（3）提出了一种解决缓存分区机制中的分配偏差问题的方法。本文讨论了分配偏差问题的产生和对整体性能的影响，并基于缓存行的活跃期保护计数器LvtP实现了一种对分配偏差问题的处理方法。据调研，本文是较早的详细研究分配偏差问题并提出灵活处理方法的文献。（4）提出了两种缓存请求访问模式的在线识别方法-----简单峰值识别方法和复杂加权识别的方法。目前国内外已经提出的缓存利用效率的提升方法很多都是基于针对不同的缓存访问请求序列的特征进行差异化处理的原理。但是，如何识别缓存请求访问模式依然是一个开放的关键问题。本文通过研究不同应用的访问请求序列，针对典型的访问模式，通过理论推导和实验分析，发现了访问模式易于在线识别的特征，提出了简单峰值识别方法和复杂加权识别的方法来判断不同的访问请求序列的特征。并且基于这两种在线识别方法，提出了LRU-S和LRU-C两种插入位置自适应调整的替换算法.
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