片上统一虚拟存储系统结构研究

存储体系结构对多核处理器系统性能提升起着关键作用。以往面向特定的存储体系结构优化程序，才能在特定多核处理器上达到最佳性能。否则，多核间对有限容量的Cache竞争访问会导致访存冲突加剧和存储系统的颠簸，进而影响到片上多核处理器性能。.因此本项目提出研究片上统一虚拟存储体系结构，旨在通过对不同层次的存储系统进行统一的管理，从而将有限的片上存储资源在不同处理器核间共享使用和动态划分，最大效率的利用所有存储资源，提高多核处理器在不同计算负载下的存储系统适应能力，从而充分发挥多核处理器的并行处理能力。.本项目将研究片上统一存储体系结构支持核间存储资源的动态划分，研究专用数据通信网络支持分布式共享存储资源的互连互通，研究不同层次间的数据推送和核间平衡预取策略。其研究成果将有助于简化并行程序的存储器编程模型，提高多核处理器存储系统的资源利用率和吞吐率。

本项目围绕片上统一虚拟存储体系结构，对多核/众核处理器不同层次的存储管理策略进行了综合研究。主要研究成果包括：.（1）提出了一种资源动态复用的 L1 Cache 结构 RDM Cache。 RDM Cache 的每一路都可以分配,结构更为灵活,因此能避免对有效使 用率较高的 Cache 路进行分配。RDM Cache 在执行路分配操作之前会根据 LRU 栈距离分析检测程序已有的资源以及实际需要的资源,这样做出的分配决策可以 避免一些错误分配和无用分配。 .（2）提出了一种全局平衡预取机制 GBPS,有效减少了多核预取在多级共享资 源(L2 Cache 和访存队列)中的相互干扰。GBPS 使用两级干扰关系矩阵量化每 个内核的预取对其它内核的干扰程度。通过对干扰关系矩阵的搜索,筛选出对其它内核干扰较大的干扰候选者,并进一步使用 GBPS 决策树对干扰候选者和其它的调整。通过动态地调整系统中所有内核的预取,及时消除由预取带来的数据干扰和资源冲突,让预取所带来的整体性能增长掩盖预取所带来的负面作用。.（3）针对传统目录一致性协议在“面积”，“性能”和“功耗”等方面不具备可扩展性的问题，提出一种可扩展的硬件自适应一致性协议（ACC）。采用数据分类逻辑在运行时对数据实施分类，对各类数据实施不同的一致性策略，为不需要维护一致性的私有数据消除其维护共享者列表信息的存储需求。首次提出将私有数据的目录（L2 Cache到L1 Cache的地址映射信息）与共享数据的目录分离存放，提高了目录的利用率 。.（4）为了解决Cache资源的利用率低以及平均存储访问延迟随处理器规模的增大而增长的问题，提出一种Cache层次间的智能数据布局策略。首次在Cache块粒度上实现了一种私有/共享数据的硬件划分机制，并得到一种半包含性质的共享末级Cache。仅在目录所在的宿主节点保留私有数据的目录信息，取消私有数据在共享LLC中存储数据副本的需求。仅允许私有数据保存在本地L1 Cache和本地私有LLC的bank中，减少了私有数据的远程Cache访问次数，达到减少平均存储器访问延迟的目的。 .本项目的研究成果可用于多核/众核处理器的研发，提高片上存储资源的利用率。