Smart memory management through locality analysis
Las memorias caché fueron incorporadas en los microprocesadores ya desde los primeros tiempos, y representan la solución más común para tratar la diferencia de velocidad entre el procesador y la memoria. Sin embargo, muchos estudios señalan que la capacidad de almacenamiento de la caché es malgastad...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2001 |
| País: | España |
| Institución: | CBUC, CESCA |
| Repositorio: | TDR. Tesis Doctorales en Red |
| OAI Identifier: | oai:www.tdx.cat:10803/5965 |
| Acceso en línea: | http://www.tdx.cat/TDX-1127101-135856 http://hdl.handle.net/10803/5965 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-93280 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Memòria ràpida de treball 1203. Ciència dels ordinadors - 3304. Tecnologia dels ordinadors 68 |
| Sumario: | Las memorias caché fueron incorporadas en los microprocesadores ya desde los primeros tiempos, y representan la solución más común para tratar la diferencia de velocidad entre el procesador y la memoria. Sin embargo, muchos estudios señalan que la capacidad de almacenamiento de la caché es malgastada muchas veces, lo cual tiene un impacto directo en el rendimiento del procesador. Aunque una caché está diseñada para explotar diferentes tipos de localidad, todas la referencias a memoria son tratadas de la misma forma, ignorando comportamientos particulares de localidad. El uso restringido de la información de localidad para cada acceso a memoria puede limitar la eficiencia de la cache. En esta tesis se demuestra como un análisis de localidad de datos puede ayudar al investigador a entender dónde y porqué ocurren los fallos de caché, y proponer entonces diferentes técnicas que hacen uso de esta información con el objetivo de mejorar el rendimiento de la memoria caché. Proponemos técnicas en las cuales la información de localidad obtenida por el analizador de localidad es pasada desde el compilador al hardware a través del ISA para guiar el manejo de los accesos a memoria.<br/>Hemos desarrollado un análisis estático de localidad de datos. Este análisis está basado en los vectores de reuso y contiene los tres típicos pasos: reuso, volumen y análisis de interferencias. Comparado con trabajos previos, tanto el análisis de volúmenes como el de interferencias ha sido mejorado utilizando información de profiling así como un análisis de interferencias más preciso. El analizador de localidad de datos propuesto ha sido incluido como un paso más en un compilador de investigación. Los resultados demuestran que, para aplicaciones numéricas, el análisis es muy preciso y el overhead de cálculo es bajo. Este análisis es la base para todas las otras partes de la tesis. Además, para algunas propuestas en la última parte de la tesis, hemos usado un análisis de localidad de datos basado en las ecuaciones de fallos de cache. Este análisis, aunque requiere más tiempo de cálculo, es más preciso y más apropiado para cachés asociativas por conjuntos. El uso de dos análisis de localidad diferentes también demuestra que las propuestas arquitectónicas de esta tesis son independientes del análisis de localidad particular utilizado.<br/>Después de mostrar la precisión del análisis, lo hemos utilizado para estudiar el comportamiento de localidad exhibido por los programas SPECfp95. Este tipo de análisis es necesario antes de proponer alguna nueva técnica ya que ayuda al investigador a entender porqué ocurren los fallos de caché. Se muestra que con el análisis propuesto se puede estudiar de forma muy precisa la localidad de un programa y detectar donde estan los "puntos negros" así como la razón de estos fallos en cache. Este estudio del comportamiento de localidad de diferentes programas es la base y motivación para las diferentes técnicas propuestas en esta tesis para mejorar el rendimiento de la memoria.<br/>Así, usando el análisis de localidad de datos y basándonos en los resultados obtenidos después de analizar el comportamiento de localidad de un conjunto de programas, proponemos utilizar este análisis con el objetivo de guiar tres técnicas diferentes: (i) manejo de caches multimódulo, (ii) prebúsqueda software para bucles con planificación módulo, y (iii) planificación de instrucciones de arquitecturas VLIW clusterizadas.<br/>El primer uso del análisis de localidad propuesto es el manejo de una novedosa organización de caché. Esta caché soporta bypass y/o está compuesta por diferentes módulos, cada uno orientado a explotar un tipo particular de localidad. La mayor diferencia de esta caché con respecto propuestas previas es que la decisión de "cachear" o no, o en qué módulo un nuevo bloque es almacenado, está controlado por algunos bits en las instrucciones de memoria ("pistas" de localidad). Estas "pistas" (hints) son fijadas en tiempo de compilación utilizando el análisis de localidad propuesto. Así, la complejidad del manejo de esta caché se mantiene bajo ya que no requiere ningún hardware adicional. Los resultados demuestran que cachés más pequeñas con un manejo más inteligente pueden funcionar tan bien (o mejor) que cachés convencionales más grandes.<br/>Hemos utilizado también el análisis de localidad para estudiar la interacción entre la segmentación software y la prebúsqueda software. La segmentación software es una técnica muy efectiva para la planificación de código en bucles (principalmente en aplicaciones numéricas en procesadores VLIW). El esquema más popular de prebúsqueda software se llama planificación módulo. Muchos trabajos sobre planificación módulo se pueden encontrar en la literatura, pero casi todos ellos consideran una suposición crítica: consideran un comportamiento optimista de la cache (en otras palabras, usan siempre la latencia de acierto cuando planifican instrucciones de memoria). Así, los resultados que presentan ignoran los efectos del bloqueo debido a dependencias con instrucciones de memoria. En esta parte de la tesis mostramos que esta suposición puede llevar a planificaciones cuyo rendimiento es bastante más bajo cuando se considera una memoria real. Nosotros proponemos un algoritmo para planificar instrucciones de memoria en bucles con planificación módulo. Hemos estudiado diferentes estrategias de prebúsqueda software y finalmente hemos propuesto un algoritmo que realiza prebúsqueda basándose en el análisis de localidad y en la forma del grafo de dependencias del bucle. Los resultados obtenidos demuestran que el esquema propuesto mejora el rendimiento de las otras heurísticas ya que obtiene un mejor compromiso entre tiempo de cálculo y de bloqueo.<br/>Finalmente, el último uso del análisis de localidad estudiado en esta tesis es para guiar un planificador de instrucciones para arquitecturas VLIW clusterizadas. Las arquitecturas clusterizadas están siendo una tendencia común en el diseño de procesadores empotrados/DSP. Típicamente, el núcleo de estos procesadores está basado en un diseño VLIW el cual particiona tanto el banco de registros como las unidades funcionales. En este trabajo vamos un paso más allá y también hacemos la partición de la memoria caché. En este caso, tanto las comunicaciones entre registros como entre memorias han de ser consideradas. Nosotros proponemos un algoritmo que realiza la partición del grafo así como la planificación de instrucciones en un único paso en lugar de hacerlo secuencialmente, lo cual se demuestra que es más efectivo. Este algoritmo es mejorado añadiendo una análisis basado en las ecuaciones de fallos de cache con el objetivo de guiar en la planificación de las instrucciones de memoria para reducir no solo comunicaciones entre registros, sino también fallos de cache. |
|---|