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结合指令预取和缓存划分的多核缓存WCEC优化

汇报人：

2024-02-04

contents

目录

引言

多核缓存系统架构

指令预取技术

缓存划分技术

WCEC优化策略

实验结果与分析

结论与展望

引言

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CATALOGUE

指令预取和缓存划分是多核缓存优化的重要技术手段。

研究结合指令预取和缓存划分的多核缓存优化方法，对于提高多核处理器性能和能效具有重要意义。

随着多核处理器的广泛应用，多核缓存一致性问题日益突出。

03

缓存划分技术通过将缓存空间划分为多个区域，为每个核分配独立的缓存空间，降低缓存争用和一致性开销。

01

多核缓存优化旨在提高缓存命中率、降低缓存一致性开销。

02

常用的多核缓存优化技术包括缓存划分、缓存行锁定、缓存预取等。

指令预取技术通过提前将指令加载到缓存中，减少处理器等待指令的时间，提高处理器性能。

缓存划分技术结合指令预取，可以实现更精细的缓存管理和优化。

通过将指令和数据分别存放在不同的缓存区域，并采用相应的预取策略，可以进一步提高缓存命中率和处理器性能。

多核缓存系统架构

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CATALOGUE

多核处理器是指在一个处理器上集成多个运算核心，从而提高处理器的整体性能和并行处理能力。

多核定义与特点

核心数与性能关系

核心间通信机制

多核处理器的性能通常随着核心数的增加而提升，但受到制造工艺、功耗和散热等因素的限制。

为了实现核心间的数据交换和协同工作，多核处理器通常采用共享内存、消息传递等通信机制。

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缓存定义与作用

缓存是位于处理器和主存储器之间的高速小容量存储器，用于暂时存储处理器频繁访问的数据和指令，以提高访问速度。

多级缓存结构

为了满足不同层次的性能需求，多核处理器通常采用多级缓存结构，包括私有一级缓存、共享二级缓存和更高级别的缓存。

缓存行大小与替换策略

缓存行大小是指缓存中每个数据块的大小，而替换策略则决定了当缓存满时如何替换其中的数据块。

在多核处理器系统中，多个核心可能同时访问和修改同一份数据，导致数据不一致性问题。

一致性问题

缓存一致性协议是用于维护多个缓存副本之间数据一致性的通信协议。

缓存一致性协议定义

常见的缓存一致性协议包括MESI协议、MOESI协议和目录协议等，它们通过不同的状态机制和数据传输方式来保证数据的一致性。

常见缓存一致性协议

指令预取技术

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CATALOGUE

通过分析程序执行流，预测未来将要执行的指令。

预测未来指令

在CPU空闲时，提前将预测到的指令从内存中取出，放入指令缓存中。

提前取指

当CPU需要执行这些指令时，直接从指令缓存中读取，避免了访问内存的延迟。

减少访存延迟

静态指令预取

动态指令预取

基于历史信息的预取

基于分支预测的预取

根据程序编译时的信息，确定需要预取的指令。

根据历史执行信息，预测未来将要执行的指令，并进行预取。

根据程序运行时的信息，动态地决定需要预取的指令。

通过分析分支指令的执行情况，预测未来将要执行的指令路径，并进行预取。

硬件预取器

在CPU硬件中实现指令预取逻辑，自动进行指令预取。

软件预取器

在编译器中加入指令预取优化，生成带有预取指令的代码。

混合预取器

结合硬件和软件预取器的优点，实现更高效的指令预取。

基于机器学习的预取器

利用机器学习算法对程序执行流进行分析和预测，实现更精准的指令预取。

缓存划分技术

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CATALOGUE

通过将缓存划分为多个区域，可以更好地适应不同应用程序的访问模式，从而提高缓存的利用率。

提高缓存利用率

缓存划分可以减少多个核心同时访问同一缓存行时发生的冲突缺失，提高系统的并行性能。

减少冲突缺失

缓存划分需要在性能和公平性之间进行权衡，以确保各个核心都能获得合理的缓存资源。

平衡性能和公平性

在系统设计阶段，将缓存按照固定的比例或大小划分为多个区域，每个区域分配给不同的核心或应用程序。

固定划分

实现简单，不需要额外的运行时开销。

优点

无法适应应用程序的动态变化，可能导致某些核心或应用程序的缓存资源不足或浪费。

缺点

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在系统运行过程中，根据应用程序的访问模式和性能需求，动态地调整缓存的划分方式。

运行时划分

可以适应应用程序的动态变化，提高系统的灵活性和性能。

优点

需要额外的运行时开销来监控和调整缓存的划分，可能增加系统的复杂性和能耗。

缺点

基于访问频率、基于缺失率、基于效用函数等。这些算法可以根据不同的优化目标来选择合适的划分策略。

常见的动态缓存划分算法

WCEC优化策略

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CATALOGUE

指令预取算法

研究并应用先进的指令预取算法，提前将可能用到的指令和数据预取到缓存中，减少缓存缺失。

预取精度与开销平衡

在指令预取过程中，需要权衡预取的精度和开销，避免过度预取导致资源浪费。

适应性调整预取策