cache copyonwrite：tls猜测数据管理机制的研究word格式论文.docxVIP

目录摘要iABSTRACTiii第一章绪论11.1研究背景与意义11.1.1多核/众核处理器发展趋势11.1.2多核多线程并行编程模型的发展31.1.3TLS编程模型的研究现状51.2本文主要工作91.2.1猜测变量的生命周期9Cache Copy-on-Write机制10基于Enhanced Local Memory 的实现方式101.3本文的组织结构11第二章TLS猜测数据管理机制122.1猜测数据生命周期122.1.1猜测数据产生阶段122.1.2猜测数据使用阶段142.1.3猜测数据确认阶段162.2现有技术的分类和比较182.2.1设计空间182.2.2设计空间探索方法192.3 多核/众核平台下TLS面临的挑战212.4本章小结21第三章Cache Copy-on-Write23基于Cache Copy-on-Write的TLS框架23Cache Copy-on-Write的基本思想23基于Cache Copy-on-Write 的TLS系统执行框架243.2猜测数据的管理253.2.1创建253.2.2访问263.2.3提交293.3本章小结30第I 页第四章实现与性能分析314.1实现314.3性能测试与分析414.3.1实验环境414.3.2测试程序集414.3.3实验结果及分析434.4本章小结46第五章结束语485.1工作总结485.2工作展望49致谢50参考文献52作者在学期间取得的学术成果56第II 页表目录表2.1 各阶段的技术要求及实现方法汇总17表4.1模拟器的多核处理器结构41表4.2 Cache Level的硬件结构42表4.3实验中使用的测试程序集43表4.4 程序模拟执行时间(ms)44表4.5 Pi 程序不同优化的情况下程序执行时间(ms)44图目录图1.1共享一级缓存的片上多核处理器结构2图1.2 MPI 基本编程框架4图1.3 OpenMP 并行编程框架5图1.4 Hydra 处理器结构7图1.5 CorD对串行程序并行化机制8图1.6 BOP的并行编程模型9图2.1共享变量在多线程中的问题以及解决方案13图2.2利用硬件方法实现猜测数据的管理14图2.3 CorD的存储空间管理15图2.4 操作系统中Copy-on-Write机制16图2.5 相邻两次迭代之间产生RAW相关16图2.6 根据猜测数据生命周期划分的TLS系统设计空间19图3.1 Cache Copy-on-Write 管理机制的执行流程25图3.2 Cache Copy-on-Write 机制Load 指令执行策略26图3.3显式通信消息处理过程27图3.4共享变量表的结构28图3.5隐式通信的执行流程29图3.6共享变量表数据相关冲突示例29图4.1 带有Enhanced Local Memory 的存储层次结构32图4.2 采用Enhanced Local Memory 的TLS系统硬件结构35图4.3 SESC 功能模拟中类的依赖关系36图4.4程序示例37图4.5 SESC-ELM 程序并行化实例40图4.6 采用线程间通信所获得的性能加速比45图4.7 Cache Copy-on-Write 机制的可扩展性测试结果46摘要随着芯片集成度的不断提高，越来越多的处理器核被集成到单个芯片上，出现了多核和众核处理器。与多核和众核体系结构快速发展所不同的是，并行程序设计却没有实现跨越式发展。传统的并行编程模型——数据并行编程模型、消息传递编程模型、共享内存编程模型，虽然从一定程度上简化程序员程序并行化的工作，但是它们对于一些粗粒度并行缺乏一定的支持，而且它们都不支持线程的猜测执行，这也造成了巨大的计算资源浪费。在以猜测的方式挖掘应用中的粗粒度并行方面，TLS（Thread-Level Speculation线程级猜测执行）就是其中的典型代表。它的最大优点是编程模型非常简洁—— 程序员只需标识出那些可以猜测执行的代码段即可，运行时系统或硬件负责确保猜测线程之间的数据相关不被破坏。但是由于其自身系统开销过高等原因，导致TLS机制的应用并不广泛。本文提出并实现一种编程模型简单、系统开销低的TLS系统猜测数据管理机制，它不仅能够在不降低处理器核主频的情况下，实现高效的猜测数据管理，而且在一定程度上解决了猜测线程间共享数据相关的问题。本文的研究工作和成果有：1、提出猜测变量生命周期的概念猜测变量生命周期包括猜测变量的产生、使用和提交三个阶段，按照猜测变量的生命周期，本文提出了一种新的TLS技术分类方法，并比较了各种已有TLS实现方法的优缺点；根据猜测变量的生命周期，归纳了支持TLS的多核平台的设计空间，提出了探索该设计空间的若干方法；最后，指出了TLS技术当前面临的挑战和未来发展趋势。2、提出基于猜测数据