Гребенкин А.П. Исследование аппаратной пердвыборки данных

Выпускная квалификационная работа
Исследование аппаратной предвыборки
данных в кэш второго уровня
микропроцессора
Студент: Гребенкин А.П., 816 гр.
Научный руководитель: Черепанов С.А.
Основные классы алгоритмов аппаратной предвыборки

Использующие принцип локальности данных
Применение: исходный код с динамическими структурами
данных.

Использующие корреляционный анализ адресов
последовательных обращений
Применение: крупные линейные участки кода; циклы, не
зависящие явно от итератора.

Использующие корреляционный анализ адресов обращений для
отдельно взятых инструкций
Применение: циклы, зависящие явно от итератора.
Цель исследования
Разработка методологии и оценка эффективности основных
методов аппаратной предвыборки данных в кэш второго
уровня
Исследуемые методы:
Выделение постоянного шага (Stride)
Класс инструкций ”с постоянным шагом”:
CurrentAddress – PreviousAddress = Stride = const != 0
Reference Prediction Table (RPT)
Диаграмма состояний записей RPT
Исследуемые методы:
Построение и анализ цепей Маркова
Исследуемые методы:
Построение и анализ цепей Маркова
Проблема хранения истории обращений.
Исследуемые методы:
Хранение истории в Global History Buffer (GHB)
Нотация алгоритмов на основе GHB:
<Тип Index Table>/<Метод анализа истории>
Исследуемые методы:
Алгоритм PC/DC: Program Counter / Delta Correlation
Исследуемые методы:
Алгоритм G/DC: Global address / Delta Correlation
Методология
Выбор инструмента для исследования

Исследование на ПЛИС
+ Высокая скорость тестирования
- Сложность реализации алгоритмов

Потактовый симулятор
+ Тестирование на любом ПК
- Крайне низкая скорость тестирования
- Сложность реализации алгоритмов

Симулятор подсистемы памяти
+ Достаточно быстрое тестирование
+ Тестирование на любом ПК
+ Простота реализации алгоритмов в терминах симулятора
+ Простота реализации инструмента
- Погрешность результатов
Методология
Получение трасс обращений
Методология
Обработка трасс на событийной модели
Методология
Параметры симуляции
Для симуляции были спользованы следующие параметры:
Тайминги: tAL = 2, BL = 8, tCL = 5, tCAS = 5, tFAW = 20, tRAS = 18,
5, tRTP = 2,
tRRD = 4, tRP = 4, tWTR = 3, tWR = 6
Отношение частоты памяти к частоте ядра = 2.5
Размер L1 — 32Кб, ассоциативность - 4
Размер L2 — 2Мб, ассоциативность — 8
Время поиска по L2 — 15 тактов, по L1 — 2 такта.
Размер слова — 64 бита,
Количество miss registers в кэшах — 4
Размер очереди обращений в память — 16
Стратегия вытеснения - Pseudo-LRU
tRCD =
Полученные данные
Метод выделения постоянного шага (Stride)
Полученные данные
Метод цепей Маркова на структуре GHB
(G/AC: Global address / Address Correlation)
Для алгоритма с параметром ширины предвыборки = 4
Полученные данные
Метод G/DC
Для алгоритма с параметром ширины предвыборки = 4
Полученные данные
Метод PC/DC
Для алгоритма с параметром ширины предвыборки = 2
Полученные данные
Сравнение методов
Полученные данные
Сравнение методов: случай эффективного программного кода
Опасность использования метода G/DC
Полученные данные
Сравнение методов: случай эффективного программного кода
Выводы

Stride и PC/DC
+ хорошая точность обнаружения целевого кода
+ малое количество неиспользованных предвыборок
– проектирование дополнительной логики ядра для получения PC

G/AC
+ малое количество неиспользованных предвыборок
+ возможность использовать алгоритм обособленно от ядра
– узкая направленность метода

G/DC
+ возможность использовать алгоритм обособленно от ядра
+ широкая направленность метода
– генерация большого числа ненужных предвыборок
Результаты


Разработана методология исследования: создана система
автоматизации получения исходных данных для симуляции и
обработки результатов, симулятор подсистемы памяти.
Исследованы 4 класса алгоритмов на симуляционной модели
Направления дальнейшей работы


Осуществление корреляции симулятора с различными
реализациями процессоров путем использования в симуляторе
соответствующих параметров и аппаратных решений
Разработка эффективных методов предвыборки, оценивая их
по разработанной методологии.
Спасибо за внимание
Приложение