多处理器系统内存读写效率探究

《多处理器系统内存读写效率探究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、多处理器系统内存读写效率探究摘要：通过分析存储器的层次结构，引出了从单处理器系统到多处理器系统存储器层次结构的新问题，即高速缓存一致性的问题。因此，在多线程同时对共享内存进行读写操作时，Cache缺失和多处理器数据不一致会带来的相应的内存读写性能损耗。该文基于这个问题，设计了面向多线程内存读写延时的内存读写效率的测试方法。并通过的实验，指出了绑定同一个处理器，会使得对共享内存数据访问的效率提高。并基于这个测试结果给出了对并行程序的优化建议。关键词：多处理器系统；内存性能；性能评估中图分类号：TP316文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)36-8814-04从单处

2、理器系统到多处理器系统，是一次里程碑式的飞跃。而随着电子器件成本的减少，多核系统的应用也变得越来越广泛。但是，多处理器系统比单处理器系统更负责，从而带来了很多问题。在现在在单机系统中比较流行的SMP多核结构，在内存性能上，与单处理器系统就有很大不同。其中比较重要的一项就是高速缓存的数据一致性［1］。高速缓存的数据一致性问题表现在程序上，就是当多处理器并行的处理同一个内存中的数据，会造成L2Cache的缺失，从而使得高速缓存的同步消耗掉一定的性能。而在以前的很多测试方法中，是没有考虑在不同处理器上访问同一个内存的性能损耗，比如Lmbench测试套件⑵,Lmbench是对内存从低地址

3、到高地址，依次测量不同地址位的读写延时，而没有考虑并行状态下，数据同步的开销。该文考虑到多处理器在数据一致性上的开销，以及L2Cache缺失率的影响，提出一种面向多线程内存读写延时的内存性能评估方法。1存储器的层次结构在理想情况下，编程者总是希望存储容量无限大，而访存速度又是尽量快。解决这个问题的一个较经济的方法就是采用存储器层次结构，其依据是程序访问的局部性原理和内存技术的性能价格比原则。所谓程序的局部性原理，就是认为大部分程序不是均衡的访问所有代码和数据。而内存技术的性能价格比原则是，存储技术越快，价格越低，因此存储读写越快，存储器容量越小。为了解决存储器读写速度与存储器存储

4、大小之间的矛盾，依据程序的局部性理论，计算机的学者们提出了一种较为经济的解决办法，就是存储器的层次结构。如图1所示。为了匹配CPU的高速计算，越是快速的存储器，离CPU越近，当然，考虑到性价比，存储量也越小。当CPU计算需要访问数据的时候，则在离自己最近的存储器层次读取数据。当相应的存储器层次访问不到相应的数据，则在更远更慢存储量更大的存储层次访问数据，如果依然访问不到，则再往更远的一层访问，以此类推。我们称在相应的存储器层次能访问到目标数据称为命中，不能访问到目标数据称为不命中。由于程序的局部性原理，在低层次离CPU较近的存储器层次命中的概率非常的高。在现代计算机系统中，大部分

5、程序的低层次存储器Cache命中率高达90%以上［3］。随着CPU性能的提高，存取效率和计算速度之间的不平衡性变得越来越显著，因此存储层次的重要性不断增加。例如，在1980年，微处理器是不带Cache的，但是到了2001年，处理器内部通常带有两级Cacheo随着多级存储结构的发展，数据的一致性问题也变得越来越复杂。所谓的数据的一致性问题，就是不同存储器层次数据不一致的问题。举个例子，当CPU要读写数据时，总是操作离自己最近的存储器,而当CPU改变了低层次存储器，比如Cache,中的数据时，由于存储总线的速度较慢，因此大部分的系统结构，都不会立即把Cache中相应的数据块写入高一层

6、的存储器，比如内存。那么在CPU改变Cache后，到Cache把相应数据块写入内存中这段时间。Cache中的数据和内存中的数据时不一致的。这就是多级存储层次中的数据一致性问题2多处理器的高速缓存一致性在多处理器系统中，数据的一致性问题的影响变得更为严重［4］。因为多处理器系统中，并行程序并非像单处理器系统中的“伪并行”运行，而由于多处理器能够同时执行不同的指令流，并行程序变成了“真并行”运行。而此时，数据的不一致性造成的影响会更为严重，而相对的Cache性能成为影响多处理器系统的关键资源[5-6]o举个例子，CPU1修改内存地址为A的数据，由XI变为X2o而此时CPU1发现地址A

7、的数据由于最近读写过，存在于LICache中。那么CPU1会把LICache中地址A的数据由XI修改为X2o假设此时CPU2要读地址A的数据，并且LICache中也存在地址A的数据。而由于存储器层次的数据不一致性，如果CPULICache中的数据还未来得及写回，会导致L2Cache的数据与CPU1的数据不同。进而导致CPU2中LICache中地址A上的值还是XI,并未修改为X2。这样就会造成多处理器结构中的高速缓存一致性问题。一般情况下，如果在一个存储系统中读取的任意一个数据项返