Математическое моделирование многоуровневой памяти вычислительных систем

• Автор: Биматов, Дмитрий Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 146 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПАМЯТИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.

1.1. Архитектура многоуровневой памяти

1.2. Типы кэшпамяти

1.3. Анализ моделей многоуровневой памяти.

1.4. Выводы о направлениях работ

2. АНАЛИЗ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ДВУХУРОВНЕВОЙ ПАМЯТИ

2.1. Модель двухуровневой памяти

2.1.1. Ошсание модели

2.1.2. Операционные характеристики подсистемы памяти

2.1.3. Идеальная модель вытеснения блоков.
2.1.4. Геометрическое распределение востребованности блоков памяти
2.2. Влияние размера блока на вероятность попадания в кэш
2.2.1. Полностью ассоциативный кэш
2.2.2. Множественный ассоциативный кэш
2.3. Влияние размера блока на среднее время доступа.
2.4. Выводы.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МНОГОУРОВНЕВОЙ ПАМЯТИ
3.1. Описание модели многоуровневой памяти
3.2. Операционные характеристики многоуровневой памяти
3.2.1. Вероятность попадания в кэш заданного уровня.
3.2.2 Среднее время доступа.
3.3. Анализ влияния коэффициента ассоциативности на производительность подсистемы памяти.
3.4. Выбор оптимального количества уровней памяти
3.5. Выводы
4. ПОДСИСТЕМА ПАМЯТИ МНОГОПРОЦЕССОРНОГО ВЫЧИСЛИТЕЛЯ .
4.1. Описание модели.
4.2. Вычисление вероятностей состояний.
4.2.1. Однопроцессорная вычислительная система.
4.2.2. Двухпроцессорная вычислительная система.
4.2.3. Трехпроцессорная вычислительная система.
4.2.4. Четырехпроцессориая вычислительная система
4.2.5. Численный расчет вероятностей состояний подсистемы памяти многопроцессорного вычислителя
4.3. Операционные характеристики.
4.4. Влияние параметров подсистемы памяти на ее производительность
4.5. Методика определения распределения востребованности блоков памяти вычислителем
4.5.1. Сбор статистики обращения процессора к памяти
4.5.2. Описание эксперимента
4.5.3. Вычисление процента промаха в кэш .
4.6. Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Для согласования скорости работы процессора и памяти необходимо вводить дополнительные циклы ожидания, приводящие к резкому снижению производительности вычислительной системы (простоям процессора). Реализация же основной памяти на быстрых микросхемах статического типа ведет к существенному удорожанию системы и снижению ряда ее эксплуатационных характеристик (увеличению габаритных размеров, веса, потребляемой мощности). Несмотря на технологические достижения в области микропроцессорной техники, тенденция увеличения разрыва между длительностью такта процессора и временем доступа к оперативной памяти продолжает сохраняться [5, , , ]. Указанное противоречие может быть разрешено, если между медленной оперативной памятью и быстрым процессором поставить буферную память, относительно небольшой емкости, но с высоким быстродействием, обеспечивающим возможность ее работы на тактовой частоте процессора. Такая буферная память получила название кэш-памяти и предназначена для согласования различия скоростей работы процессора и основной памяти [, ]. Кэш-память реализуется на микросхемах статического типа. Уровни памяти. На самом верхнем уровне находится регистровая (местная) память. Регистры общего назначения (РОН) - сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ). Объем СОЗУ обычно составляет несколько десятков регистров (впрочем, у процессоров семейства Intel Itanium их более сотни [, ]). На следующем уровне иерархии находится буферная память (кэш). Кэш-память - это высокоскоростная память произвольного доступа, используемая процессором для временного хранения информации. Она увеличивает производительность, поскольку хранит наиболее часто используемые данные «ближе» к процессору, откуда их можно быстрее получить. Кэш-память может иметь несколько уровней (от одного до трех). Первый уровень кэш-памяти (внутренний) располагается на кристалле процессора и работает на его тактовой частоте. Емкость кэша первого уровня колеблется от нескольких десятков килобайт до полутора и более мегабайт (например, у процессора Intel Pentium 4 - Кб, у процессора Intel Core 2 - Кб, у процессоров HP семейства РА-8ххх — до 4Мб) [, , , 5, 1]. Быстродействие кэша данного уровня определяется длительностью одного-двух тактов процессора. Кэши второго-третьего уровней реализуются либо на кристалле процессора, либо в виде отдельной микросхемы на одной плате с микропроцессором, либо как статическая память, подключенная к системной шине [, , , 2]. Емкость кэша второго уровня колеблется от нескольких сотен килобайт до нескольких мегабайт (Intel Core 2 - от 2х до 6Мб; Intel Itanium2 - 6Кб) [4]. Обычно время доступа к кэшу этого уровня составляет три-пять тактов процессора. Intel Itanium2 - до Мб, IBM Power6 - Мб) [, , , , 3]. На следующем уровне иерархии подсистемы памяти находится оперативная память произвольного доступа (RAM - random access memory), которая строится на микросхемах динамического типа. Такая реализация оперативной памяти обеспечивает достаточно большую информационную емкость, но относительно низкое быстродействие. Емкость памяти может достигать нескольких гигабайт со временем доступа до нескольких тактов системной шины. На самом нижнем уровне иерархии находится внешняя память, расположенная на дисковых и ленточных запоминающих устройствах. Память этого типа самая медленная, но самая емкая и имеющая самую низкую удельную стоимость во всей иерархии [, ]. При выполнении команды процессор сначала анализирует содержимое своих регистров данных. Если необходимых данных в регистрах нег, он обращается к кэш-памяти первого уровня, затем - к кэшпамяти второго уровня. Если данных нет ни в одной из кэш-памяти, процессор обращается в оперативную память. В том случае, если нужных данных нет и в оперативной памяти, процессор считывает данные с жесткого диска. Когда процессор обнаруживает требуемые данные в одном из кэшей, это называют «попаданием», неудачу называют «промахом». Каждый промах вызывает задержку, поскольку процессор будет пытаться обнаружить данные на другом, более низком уровне памяти. В хорошо спроектированных системах процент «попадания» достигает и выше. Принципы временной и пространственной локальности.