Godson-T缓存一致性协议的Murphi建模和验证

Godson-T缓存一致性协议是用于Godson-T众核处理器的缓存一致性协议．在Godson-T协议中,缓存一致性协议和存储一致性模型存在紧密的紧耦合关系,分析协议的一致性时发现该协议满足的缓存一致性不是强一致性,不满足传统意义上缓存透明的一致性要求．我们选取了Murphi模型检测工具作为我们建模的语言和验证工具．在对Godson-T缓存一致性协议建模的时候,由于协议的上述特点,我们需要对处理器核结点,高速缓存和内存作为一个整体建模,并成功地验证了协议的相关性质．     

基于不变量查找的German协议验证

提出了一种通过查找缓存一致性协议不变量来验证带参协议正确性的新方法.缓存一致性协议验证的难点在于必须证明协议对于任意大小的带参系统都成立.我们通过寻找不变量和协议规则之间的对应关系来计算辅助不变量,从而帮助推导验证缓存一致性协议.我们设计实现了一个不变量查找工具并将该工具应用到German协议上计算它们的辅助不变量并成功地验证了协议的安全性质.     

硬件结构支持的基于同步的高速缓存一致性协议

共享存储系统中如何高效地实现高速缓存一致性是体系结构设计面临的一个关键问题和难点问题.已有的基于目录的协议存在难于实现、验证复杂和存储空间开销大等问题.面向片上众核处理器,文中提出一种由硬件结构支持、基于同步的高速缓存一致性协议.该方案不使用目录,而是通过使用bloom-filter表示一致性信息,并在并行程序中的同步点维护高速缓存一致性.与现有的基于目录的高速缓存一致性协议相比,该方案可以降低目录协议的实现、验证复杂度.用SPLASH一2测试程序集评估表明,基于同步的协议可以获得与基于目录的协议相当的性能.     

一种基于共享转发态的多级缓存一致性协议

在CC-NUMA架构系统中,为了减少缓存一致性维护的开销,大规模CC-NUMA系统通常采用多级缓存一致性域设计,降低平均一致性维护操作数量,从而有效缓解系统性能扩展与一致性维护开销的矛盾.传统的MESI,MESIF,MOESI协议主要是针对单级一致性域优化设计,并且没有考虑到大型数据库应用中查询(数据读访问)业务量占据主导地位的特点,故该类一致性协议在多级缓存一致性域场景下存在着跨域操作频度高、执行效率低等缺点.针对上述问题,提出了一种基于共享转发态的多级缓存一致性协议MESI-SF.该协议创建了一个共享转发态Share-F,允许多个一致性域内同时存在远端数据副本的可读可转发状态,从而能够为同一域内同地址的读请求直接提供共享数据,有效减少了跨域操作,提升系统性能.SPLASH-2程序集模拟结果表明,对于两级Cache一致性域系统,相比MESI协议,MESI-SF能够减少23.0%跨结点访问次数,指令平均执行周期数(cycles per instruction, CPI)降低7.5%;相比MESIF协议,MESI-SF能够减少12.2%跨结点访问次数,指令平均执行周期数降低5.95%.     

片上多核处理器存储一致性验证

存储一致性验证是片上多核处理器功能验证的重要部分.由于验证并行程序的执行结果是否符合存储一致性模型理论上是NP难问题,现有的验证方法中只能采用一些时间复杂度大于O(n3)的不完全方法.发现在支持写原子性的多处理器系统中,两条执行时间不重叠的操作之间存在确定的时间序.通过引入时间序的概念,设计并实现了一种线性时间复杂度的存储一致性验证工具LCHECK.LCHECK利用时间序将验证局部化,使得在表示程序执行结果的有向图中,序关系边的推导和正确性检测都被限定在有限范围内.与现有其他方法相比,LCHECK时间复杂度低,对程序长度和访存地址数没有限制,因此验证效率更高.作为国产片上多核处理器龙芯3号的重要验证工具, LCHECK发现了一些存储系统的设计错误.     

基于Simics的分布式一致性协议仿真

用于多种计算机系统和指令系统仿真的Virtutech Simics只提供一个简单的顺序扁平侦听式高速缓存一致性（Snoo-ping Cache Coherence Protocol）模型支持MESI协议,从而制约了可仿真的并行处理器个数。以下将基于目录的分布式高速缓存一致性协议（Distributed Directory-based Cache Coherence Protocol）模型应用于Simics中并给出基于Simics的分布式一致性协议的仿真结果。这一结果证实分布式协议能降低事件总数,减少网络中的事件。本文提出一个简单的基于目录的分布式高速缓存一致性协议,从而解决制约Simics的可扩放性问题。     

片上多核处理器Cache一致性协议优化研究综述

现代晶体管技术在单芯片上集成多个处理器已经成为现实.近年来,随着多核处理器集成核数的不断增加,高速缓存的一致性问题凸显出来,已成为多核处理器的性能瓶颈之一,亟待解决.本文介绍了片上多核处理器一致性问题的由来.总结了多核时代高速缓存一致性协议设计的关键问题,综述了近年来学术界对一致性的研究.从程序访存行为模式、目录组织结构、一致性粒度、一致性协议流量、目录协议的可扩展性等方面,阐述了近年来缓存一致性协议性能优化的方向.对目前片上多核处理器缓存一致性协议设计中存在的问题进行了讨论,并指出了未来进一步研究的方向.     

面向多核处理器的可配置缓存一致性协议设计与实现

多核处理器需要维护缓存的一致性问题.基于目录的一致性协议具有较好的扩展性、较低的延迟,应用较多.分布式目录访问带宽高、目录查询速度快、物理实现灵活.分布式目录一致性协议设计复杂度高,验证困难,为了降低自主CPU研发和产业化的风险,提出了一种面向多核处理器的可配置分布式目录控制单元(configurable distribute directory unit, CDDU),通过微操作机制,实现动态配置缓存一致性协议.该设计增加了多核系统缓存一致性协议的灵活性与容错性,可以实现协议状态转换和协议流程的配置,能够解决由于一致性协议设计缺陷导致的功能故障,可以防止一致性协议设计不足引起的死锁.测试结果表明：设计方案展现了良好的可配置性、可扩展性,避免了死锁产生,代价是少量的性能损耗以及面积开销.主要思想在自主飞腾64核处理器中进行了实现,为确保处理器的协议正确性发挥了重要作用,同时在该芯片的多路扩展实现过程中提高了协议的鲁棒性,消除了潜在的死锁.     

面向众核体系结构扩展I/O的广义一致性模型研究

I/O一致性问题是众核处理器设计所面临和必须解决的关键技术之一。传统的一致性模型往往是站在处理器的角度,研究存储器和CPU之间的一致性,缺乏一个完整的I/O一致性模型用于指导I/O一致性处理的设计。把I/O一致性问题纳入众核处理器数据一致性问题的统一框架内,从处理器核、I/O和存储器相互关系的角度描述数据一致性问题,避免了孤立、片面地分析I/O一致性问题;在SPARC的TSO模型和PSO模型的基础上,提出了扩展I/O的广义一致性模型-GIOTSO模型和GIOPSO模型,并进行了形式化描述;最后对模型性能进行了理论分析和性能测试,测试结果表明所提出的一致性模型可以大大改善I/O处理的性能。     

基于协议的实时构件行为一致性验证

对复杂实时构件系统行为进行形式化描述和一致性验证,可以提高实时构件的可复用性和系统的正确性、可靠性。分析了时间行为协议TBP(Timed Behavior Protocol)及其它学术界和工业界常用的时序行为形式化描述方法,对实时构件替换理论进行了讨论,给出了基于时间行为协议的构件一致性验证算法并对其进行了分析。     

Constraint-Based Verification of Parameterized Cache Coherence Protocols

We propose a new method for the parameterized verification of formal specifications of cache coherence protocols. The goal of parameterized verification is to establish system properties for an arbitrary number of caches. In order to achieve this purpose we define abstractions that allow us to reduce the original parameterized verification problem to a control state reachability problem for a system with integer data variables. Specifically, the methodology we propose consists of the following steps. We first define an abstraction in which we only keep track of the number of caches in a given state during the execution of a protocol. Then, we use linear arithmetic constraints to symbolically represent infinite sets of global states of the resulting abstract protocol. For reasons of efficiency, we relax the constraint operations by interpreting constraints over real numbers. Finally, we check parameterized safety properties of abstract protocols using symbolic backward reachability, a strategy that allows us to obtain sufficient conditions for termination for an interesting class of protocols. The latter problem can be solved by using the infinite-state model checker HyTech: Henzinger, Ho, and Wong-Toi, A model checker for hybrid systems, Proc. of the 9th International Conference on Computer Aided Verification (CAV'97), Lecture Notes in Computer Science, Springer, Haifa, Israel, 1997, Vol. 1254, pp. 460–463. HyTech handles linear arithmetic constraints using the polyhedra library of Halbwachs and Proy, Verification of real-time systems using linear relation analysis, Formal Methods in System Design, Vol. 11, No. 2, pp. 157–185, 1997. By using this methodology, we have automatically validated parameterized versions of widely implemented write-invalidate and write-update cache coherence protocols like Synapse, MESI, MOESI, Berkeley, Illinois, Firefly and Dragon (Handy, The Cache Memory Book, Academic Press, 1993). With this application, we have shown that symbolic model checking tools like HyTech, originally designed for the verification of hybrid systems, can be applied successfully to new classes of infinite-state systems of practical interest.     

Index-Based Cache Coherence Protocol

A multiprocessor envirorLment may encounter many problems such as deadlock, load balancing and cache coherence. However, the latter is considered the most dangerous if not properly designed, the system works naturally but generates inaccurate results. This occurs if obsolete versions of a memory block are used. Users may not be aware of the presence of such problem. Two main approaches are known to maintain data consistency： namely, snoopy and directory-based protocols. Each approach has its advantages and limitations. This paper proposes a new technique that considers both previously mentioned approaches. The network architecture is slightly updated by adding an index table to each processor. The proposed protocol is expected to reduce the access time, decrease the number of accesses to main memory, maintain data consistency, and assure the usage of the most recent value of a shared variable.     

环连接CMP的缓存一致性协议

片上多核处理器(CMP)已经成为处理器发展的方向,处理器设计的重点也转到了互连网络和存储层次结构方面,其中的一个关键问题是如何维护各处理器各级缓存(Cache)的一致性,该问题在传统的共享存储多处理器中使用Cache一致性协议来解决,而CMP相对于传统的多处理器结构具有更高的片上互连带宽和速度,给Cache一致协议提出了新的要求,也提供了新的改进机会.传统的总线侦听协议存在可扩展性不足和不必要的广播、侦听过多的缺点,而目录协议则存在失效间接延时大和复杂度高、验证困难等问题.环形连接的可扩展性好于总线结构,而其实现复杂度也远小于通常目录协议所使用的包交换点到点网络.将基于环的侦听协议应用于CMP;并考虑利用环的顺序性取消原有协议中冲突引起的重发操作,消除可能的饥饿、死锁和活锁等情况,增加协议的稳定性,同时减少消息流量和功耗;利用片上互连延时短的特点,将侦听结果和侦听请求同时传播,使得处理器可以根据侦听结果来对侦听请求进行选择性的侦听操作,可减少不必要的侦听操作,降低功耗.     

基于总线侦听Cache一致性协议算法与实现

以共享总线的多处理机系统为例,本文介绍了在共享总线系统中用于解决Cache问题的侦听总线一致性协议,并基于总线侦听Cache一致性协议的优点和协议区分状态的原因,给出了一个评价协议好坏的角度:总线的流量和存储器访问的有效时间,最后给出了基于总线侦听Cache一致性协议算法与实现.     

一种基于自更新的简单高效Cache一致性协议

随着片上多处理器系统核数的增加,当前一致性协议上存在的许多问题使共享存储系统复杂而低效.目前一些一致性协议极其复杂,例如MESI(modified exclusive shared or invalid)协议,存在众多的中间状态和竞争.并且这些协议还会导致额外失效通信,以及大量记录共享信息的目录存储开销(目录协议)或广播消息的网络开销(监听协议).对数据无竞争的程序实现了一种简单高效一致性协议VISU(valid/invalid states based on self-updating),这种协议基于自更新操作(self-updating)、只包含2个稳定状态(valid/invalid).所设计的两状态VISU协议消除了目录和间接事务.首先基于并行编程的数据无竞争(data race free, DRF)模型,采用在同步点进行自更新共享数据来保证正确性.其次利用动态识别私有和共享数据的技术,提出了对私有数据进行写回、对共享数据进行写直达的方案.对于私有数据,简单的写回策略能够简化不必要的片上通信.在L1 cache中,对于共享数据的写直达方式能确保LLC(last level cache)中数据最新从而消除了几乎所有的一致性状态.实现的VISU协议开销低、不需要目录、没有间接传输和众多的一致性状态,且更加容易验证,同时获得了与MESI目录协议几乎相当甚至更优的性能.     

一种带偏置的基于相关性分析的Cache一致性协议验证方法

Cache一致性协议作为CC-NUMA系统的硬件基础,在CC-NUMA系统的设计过程中占有举足轻重的地位。对于复杂的CC-NUMA系统,由于其Cache一致性协议十分复杂,通常难以进行形式化验证,而常规的伪随机模拟又存在验证效率低下的问题。本文提出了一种对复杂CC-NUMA系统中Cache一致性协议进行模拟验证的方法。该方法通过对验证覆盖目标进行相关性分析,使用偏置技术对传统伪随机模拟验证方法进行了改进。实际验证结果表明,改进后的方法使得模拟验证覆盖率的增长速率有了明显提高。