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预取技术分析

时间:2015-10-03  来源:扁平线圈电感厂家  点击:

摘 要: 内存时延是制约现代处理器性能的主要因素之一。预取技术通过提前从内存读取将来可能使用的数据降低内存时延对处理器执行的影响,是一种被广泛应用的提升处理器性能的技术。探讨了当前主流硬件平台的预取技术,分析了现有预取技术的不足并展望了预取技术的发展趋势。

关键词: 预取;时间局部性;空间局部性

0 引言

随着处理部件和存储部件的性能的持续拉大,高速缓存作为标准配置已广泛应用于各种处理器设计的存储层次中。设计者希望通过将经常用到的数据保存在高速缓存中,降低内存时延对处理器执行性能的影响,从而实现较高的性能价格比。因此,缓存的命中率对处理器的整体性能有至关重要的影响。

预取技术是一种提高缓存命中率的有效方法。通过动态分析程序行为,对将来可能的数据访问模式进行预测并将可能访问的数据提前读取到高速缓存中。在处理器需要访问对应数据时,可以直接在高速缓存中获得所需的数据,从而避免处理器直接访问高延迟内存造成的高延时。为了达到好的预取效果,就需要预取技术能精确预测可能的数据访问,提高预取的准确性,避免内存带宽及缓存容量等稀缺资源的浪费。

本文综合评述了影响预取准确性的关键因素,当前主流的预取技术以及各种预取技术的优缺点。并分析了当前多核平台和众核平台对预取技术的影响。在此基础上,对预取技术的发展方向进行了展望。

1 预取技术

处理器平台运行着大量的应用,由于这些应用的访存行为各异,也衍生出了大量不同的预取策略来提高应用性能。在预取的相关研究中,主要关注的是如何针对相关应用制定与实现高效的预取策略,其核心是围绕利用程序执行过程中存在的空间局部性与时间局部性,提升性能。近年来多核平台的普及也为预取技术的发展提供了新的机遇与挑战。多核平台存在许多额外硬件资源,可以为程序的预取提供便利,从而加速程序的执行效率。本节分别对基于利用空间局部性的预取、基于时间局部性的预取和多核平台的帮助线程相关研究进行分析。

1.1 基于空间局部性的预取

空间局部性指的是由于程序的顺序执行或数组的顺序访问,程序即将用到的信息可能与目前正在使用的信息物理地址相邻或邻近。可以利用这一点来为预取提供理论依据从而提高程序执行效率,减少内存访问延迟。但繁多的应用程序存在着不一样的程序逻辑,发掘各类应用的空间局部性需要在策略的复杂度和预取效率之间进行平衡。

程序每次顺序地访问相邻物理地址块是程序空间局部性最直接最简单的一种形式,Next-Line预取[1]正是基于这种想法提出的,即每次预取当前访问地址块之后的块来提升程序性能。其优点是实现简单,但由于这种情况只能涵盖一小部分程序逻辑,导致无效预取指令过多,进而影响预取效率。为了可以处理更为复杂的程序行为,可以在Next-Line预取的基础上添加不同跳转长度的预取支持[2]及跳转长度预测机制[3],为处理更为复杂的情况提高预取效率。

为了进一步发掘程序中的空间局部性关系来制定预取策略,可以对程序的执行情况做更为复杂的分析。一种比较有效的方法是引入统计的方法对内存访问流进行分析,从而提高预取的准确性。如通过统计最近的内存访问流生成访问直方图[4]。当出现对某一已记录地址进行访问时查询直方图,从而决定预取多少条连续指令。空间局部性侦测表[5]及其变种对程序局部性行为进行分析,通过调整各个代码块的大小提升代码执行过程中的空间局部性。然而,这类方法需要维护较大的表来记录并探寻空间局部性。分析发现,在商用负载中通常存在重复出现的较长的内存访问序列[6]。为了进一步降低预取预测所需的存储空间,可以建立这些序列程序计数器与访问地址的关联,通过只维护关联关系,可以在维护一个较小的表的情况下,对众多商用应用上取得良好的预取效果。

1.2 基于时间局部性的预取

时间局部性是指访问过的某些数据在不久的将来还会被访问到。基于时间局部性的预取主要是通过分析程序的访问模式,发现一条或数条重复发生的访问链(即一系列地址按照相同的访问顺序重复出现)进行预取。当该链被判断再次发生时,根据记录的序列推测下一个访问地址。最简单的时间局部性预取策略是基于Markov模型的预取策略[7]。该策略通过利用一个表来记录给定地址的下一个潜在访问对象来实现Markov预取器。

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