多核处理器Cache一致性协议关键技术研究

多核处理器规模的不断扩大和核间通信机制的日益复杂,使得Cache一致性维护变得更加困难。本文从多核处理器Cache一致性问题的产生背景出发,分析监听协议、目录协议、Token协议和Hammer协议的实现机制以及在多核环境中的优缺点,分别从一致性协议与片上互连结构协同设计、面向低功耗应用的协议优化策略、Cache一致性协议验证及容错机制等角度考虑,对未来多核处理器Cache一致性协议设计的发展趋势和技术挑战进行详细分析与讨论。     

基于Coq的RVWMO加载值公理形式化描述与推论证明

RISC-V内存一致性模型（RVWMO）规定了RISC-V多核系统的访存序约束,是RISC-V软硬件设计者共同遵守的重要规范,旨在为硬件设计提供灵活性的同时保证软件的易开发性。RISC-V指令集规范使用全局访存序、保留程序序以及三条公理（加载值公理、原子公理与进度保证公理）描述RVWMO。通过运用RVWMO的规则,可对多线程程序的访存序合法性进行判定,进而指导芯片设计、验证与软件开发。其中,加载值公理是最为复杂和难以运用的规则之一,是多个典型案例合法性判定的重要基础。然而,规范对于该公理的描述及案例讲解主要基于自然语言,缺乏清晰严格的形式化描述和推理过程,不利于读者理解和运用该公理。本文基于交互式定理辅助证明工具Coq,给出了RVWMO加载值公理的形式化描述以及相关引理、定理和推论的证明,对于理解运用RVWMO加载值公理和判定访存序的合法性具有重要意义。     

面向虚拟共享域划分的自适应迁移与复制机制

传统数据管理机制无法感知分布式cache布局的非一致访问延迟特性,导致多核处理器大容量cache失效率和命中延迟之间的矛盾日益加剧.此外,单独依靠数据迁移和盲目复制难以解决共享数据块的竞争访问与长延迟命中问题.基于瓦片式多核处理器分布式cache的虚拟共享域划分机制,提出并实现一种域间数据自适应迁移与复制机制,能够协同感知本地目标bank候选牺牲块状态和远程命中块的局部活跃程度,在多个虚拟共享域间对多核竞争访问的共享数据进行动态迁移和复制决策,综合权衡片上长延迟命中和cache容量有效利用率问题,降低平均存储访问延迟.最后,在全系统模拟器中实现虚拟共享域划分和域间共享数据自适应迁移-复制机制,并采用典型测试程序包SPLASH-2评估性能优化情况.实验表明,与传统固定共享域划分机制和同类优化机制相比,自适应迁移与复制机制在不同共享度下均可获得相应性能提升,面积开销可以忽略不计.     

多核处理器片上存储系统研究

针对多核处理器计算能力和访存速度间差异不断增大对多核系统性能提升的制约问题,分析几款典型多核处理器存储系统的设计特点,探讨多核处理器片上存储系统发展的关键技术,包括延迟造成的非一致cache访问、核与cache互连形式对访存性能的束缚以及片上cache设计的复杂化等。     

面向RISC-V内存一致性测试的自动化分析方法

开源架构RISC-V定义了其内存一致性模型RVWMO,作为多核RISC-V系统软硬件设计开发的重要规范。在多核芯片的验证阶段,需要对芯片的内存一致性进行严格全面的测试。测试通常针对某一访存顺序模式,选取典型的并行程序片段进行大规模测试（又称Litmus测试）,通过程序运行的最终状态推测芯片内存一致性模型。通常,更为宽松的内存一致性会导致更多的程序状态。分析Litmus测试结果对于验证芯片的RVWMO兼容性、探索多核系统的内存一致性优化的可能性具有重要意义。以RVWMO规范下允许的程序状态为基准,芯片实测得到更多的程序状态表明其存在兼容性问题,得到更少的程序状态表明其仍具有优化空间。面对规模庞大、行为复杂的Litmus测试,如何对其测试结果进行自动化分析是亟待解决的问题。本文对Litmus测试的原理和输出结果进行了深入分析,提出一种面向RISC-V内存一致性测试的自动化分析方法,采用形式化方法对Litmus测试进行基于RVWMO规范的模拟运行,并通过与芯片的实测结果进行对比分析给出测试结论。本方法基于Hifive Unmatched开发板开展测试。实验表明,本文提出的方法可快速、有效地对RISC-V内存一致性测试进行自动化分析。     

多核处理器非一致Cache体系结构延迟优化技术研究综述

非一致Cache体系结构(non-uniform cache architecture,NUCA)为解决多核处理器(chip multi-processor)"存储墙"难题提供了新的设计思路.重点关注面向CMP的NUCA延迟优化技术,在介绍若干典型NUCA模型的基础上,分析大容量Cache环境下共享/私有机制中的延迟-容量权衡问题,讨论映射、迁移、复制和搜索等数据管理机制在多核环境下的优缺点.最后,针对基于片上网络(network-on-chip,NoC)互连结构的可扩展CMP体系结构,从NUCA模型优化、数据管理和一致性维护机制3个方面讨论和预测未来CMP NUCA延迟优化领域的发展趋势及面临的挑战性问题.