Ανάλυση Επίδοσης Μηχανισμών Tlb Prefetching

Abstract

Πολλοί είναι οι μηχανισμοί που έχουν προταθεί για τη διατήρηση υψηλής απόδοσης του συστήματος μνημών. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η προσωρινή αποθήκευση δεδομένων (caching). Ωστόσο, οι πολυάριθμες αστοχίες της Kρυφής Μνήμης Αναζήτησης Μετάφρασης (TLB) αποτελούν ακόμα ένα απο τα σοβαρότερα προβλήματα στη προσπάθεια διατήρησης υψηλής απόδοσης. Επιτυχείς αναζητήσεις στην TLB, ικανοποιούν την ανάγκη για ταχύτατη μετάφραση διευθύνσεων. Αν οι αναζητήσεις στη TLB οδηγούν σε αποτυχίες, γίνεται διάσχιση του πίνακα σελίδων στην ιεραρχία μνήμης για εύρεση της ζητούμενης μετάφρασης, κάτι που προκαλεί μεγάλες επιβαρύνσεις. Τα υπολογιστικά συστήματα που χρησιμοποιούν τη τεχνική της Εικονικής Μνήμης έχουν ανάγκη απο όσο το δυνατόν ταχύτερη μετάφραση εικονικών διευθύνσεων σε φυσικές. Καθώς τα working sets αυξάνονται με ρυθμό τον οποίο δεν μπορεί να ακολουθήσει η αύξηση του μεγέθους της TLB, οι αστοχίες της TLB γίνονται ολοένα και περισσότερες, προκαλώντας μεγάλες επιβαρύνσεις και επηρεάζοντας τελικά τη συνολική απόδοση του υπολογιστικού συστήματος. Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία εστιάζουμε στην βελτίωση της επίδοσης της TLB μέσω Προανάκλησης Μεταφράσεων (TLB Prefetching). Σκοπός είναι να εξεταστεί αν και κατά πόσο η ιδέα του TLB Prefetching μπορεί να ανταποκριθεί στη προσπάθεια μείωσης των TLB αστοχιών με ταυτόχρονη μείωση της επιβάρυνσης όταν κάποιες απο τις αστοχίες δεν μπορούν να εξαλειφθούν. Συγκεκριμένα, υλοποιούνται διάφορα ήδη γνωστά Σχήματα TLB Prefetching, όπως για παράδειγμα ο Ακολουθιακός Προανακλητής, ο Προανακλητής Απόστασης και ο Προανακλητής Τυχαίου Βήματος με κάποιες διαφοροποιήσεις απο την αρχική τους έκδοση. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν πως η Προανάκληση Μεταφράσεων μπορεί να βελτιώσει την επίδοση ορισμένων εφαρμογών. Όμως δεν υπάρχει ένας μοναδικός απλός μηχανισμός προανάκλησης που πετυχαίνει τα καλύτερα αποτελέσματα για όλες τις εφαρμογές.Συνεπώς, στην μελέτη αυτή παρουσιάζουμε τον σχεδιασμό και την υλοποίηση νέων μηχανισμών, και πιο συγκεκριμένα κάποια Υβριδικά Σχήματα TLB Prefetching που συνδυάζουν ταυτόχρονα πολλαπλούς απλούςπροανακλητές, καθώς επίσης και έναν Tournament Προβλέπτη ο οποίος επιλέγει την ενεργοποίηση μόνο ενός από πολλαπλούς προανακλητές. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν πως τα σχήματα αυτάκαταφέρνουν να συνδυάσουν τα οφέλη πολλαπλών προανακλητών και να πετύχουν καλύτερα αποτελέσματα στο σύνολο των εφαρμογών.Ωστόσο, παρατηρείται πως σε κάποιες φάσεις της εκτέλεσης κάθε εφαρμογής, θα ήταν ευεργετική η απενεργοποίηση του TLB Prefetching λογώ πολλαπλών ανεπιτυχών προβλέψεων. Για το λόγο αυτό, προτείνουμε Μηχανισμούς Ελέγχου Προανάκλησης που είναι υπεύθυνοι για την αποφυγή άχρηστων προβλέψεων που επιφέρουν επιβάρυνση σε λειτουργίες μνήμης, με ταυτόχρονη διατήρηση της απόδοσης του εκάστοτε Σχήματος TLB Prefetching. Υλοποιούμε τέσσερις διαφορετικούς Μηχανισμούς Ελέγχου Προανάκλησης, οι δύο λαμβάνουν υπόψην τις πετυχημένες αναζητήσεις στον Prefetch Buffer ενώ οι άλλοι δύο το κόστος που έχει η προανάκληση κάθε μετάφρασης σε λειτουργίες μνήμης. Η πειραματική αξιολόγηση δείχνει πως ο Tournament Προβλέπτης με το Μηχανισμό MMU Confidence Throttling είναι ο καλύτερος Μηχανισμός TLB Prefetching της εν λόγω Διπλωματικής Εργασίας.