CC-NUMA多機(jī)系統(tǒng)Cache一致性研究.pdf

1、高速緩存一致的非對(duì)稱訪存系統(tǒng)(CC-NUMA)是當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的多機(jī)系統(tǒng)之一。與傳統(tǒng)的MIMD系統(tǒng)一樣，Cache一致性問題也是CC-NUMA系統(tǒng)必須首先解決的問題。因?yàn)槠鋵?duì)系統(tǒng)性能和可擴(kuò)展性等方面都有重要的影響。本文介紹并分析了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的CC-NUMA系統(tǒng)在解決Cache一致性問題上所采用的幾種協(xié)議以及其在系統(tǒng)性能和可擴(kuò)展性方面所存在的不足之處。針對(duì)這些不足,提出了一種應(yīng)用于CC-NUMA系統(tǒng)的基于兩級(jí)目錄協(xié)議的目錄-數(shù)據(jù)Cache

2、結(jié)構(gòu)。
　　具體而言,即是在 CC-NUMA的目錄存儲(chǔ)器(第二級(jí)目錄)上增加一個(gè)目錄Cache(第一級(jí)目錄),其中第一級(jí)目錄使用有限（Limited）目錄協(xié)議,第二級(jí)目錄使用全映射（full-map）目錄協(xié)議。文中稱此為兩級(jí)目錄協(xié)議。同時(shí)通過對(duì)目錄Cache進(jìn)行字?jǐn)U展的方式,在共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器層上增加了一個(gè)數(shù)據(jù) Cache層,文中稱此Cache結(jié)構(gòu)為基于兩級(jí)目錄協(xié)議的目錄-數(shù)據(jù)Cache結(jié)構(gòu)。另外,為了避免出現(xiàn)目錄項(xiàng)溢出問題,又設(shè)計(jì)

3、了一種名為共享加權(quán)LRU的Cache替換算法。
　　然后從系統(tǒng)性能以及可擴(kuò)展性方面,分析比較了兩級(jí)目錄與全映射目錄和有限映射目錄在空間復(fù)雜度的優(yōu)劣。證明兩級(jí)目錄在空間復(fù)雜度較有限映射增加很小的代價(jià)下,其性能接近或超過了全映射目錄。同時(shí)又有效避免了制約有限目錄性能的目錄項(xiàng)溢出問題。最后使用通用的測(cè)試程序?qū)蚕砑訖?quán)LRU算法在Cache命中率方面,與經(jīng)典LRU進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。證明共享加權(quán)LRU算法在代價(jià)很小的前提下,保證了高共享數(shù)據(jù)處

4、于Cache中,進(jìn)一步降低了發(fā)生目錄項(xiàng)溢出的概率。
　　在此基礎(chǔ)上,本文主要針對(duì)兩級(jí)目錄結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想,采用了硬件描述語言(VHDL)對(duì)其進(jìn)行了邏輯實(shí)現(xiàn)和模擬仿真。首先,我們對(duì)基于兩級(jí)目錄的目錄-數(shù)據(jù)Cache結(jié)構(gòu)從功能上對(duì)其進(jìn)行了模塊劃分,分配了每個(gè)模塊所要完成的功能。其次,在認(rèn)真分析模塊與模塊之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的基礎(chǔ)上,詳細(xì)描述了我們?cè)谠O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)。第三,對(duì)所劃分的模塊采用硬件描述語言 VHDL進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)。第

5、四,通過目錄-數(shù)據(jù)Cache系統(tǒng)的性能分析實(shí)驗(yàn),對(duì)基于兩級(jí)目錄的目錄-數(shù)據(jù)體系的功能和整體性能進(jìn)行了初步的模擬和測(cè)試。
　　模擬和測(cè)試結(jié)果表明,應(yīng)用于CC-NUMA系統(tǒng)的目錄-數(shù)據(jù)Cache結(jié)構(gòu),有效地克服了系統(tǒng)性能以及可擴(kuò)展性（scalability）與目錄存儲(chǔ)開銷之間的矛盾,且能很好地解決Cache數(shù)據(jù)一致性的問題。而邏輯綜合結(jié)果表明目錄-數(shù)據(jù)Cache結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低,硬件開銷也相對(duì)較小,能夠較好的滿足CC-NUMA系統(tǒng)的