Etude de méthodes et mécanismes pour un accès transparent et efficace aux données dans un

127 Pages·2017·20.01 MB·French

Etude de méthodes et mécanismes pour un accès
transparent et efficace aux données dans un système
multiprocesseur sur puce
P. Guironnet de Massas
To cite this version:
P. Guironnet de Massas. Etude de méthodes et mécanismes pour un accès transparent et efficace aux
données dans un système multiprocesseur sur puce. Micro et nanotechnologies/Microélectronique.
Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2009. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00434379￿
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INSTITUT POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE

N° attribué par la bibliothèque

ISBN 978-2-84813-145-0

THESE

pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’Institut polytechnique de Grenoble

Spécialité : Informatique

préparée au laboratoire TIMA
dans le cadre de l’Ecole Doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information, Informatique

présentée et soutenue publiquement

par

Pierre Guironnet de Massas

le 12 novembre 2009

Étude de méthodes et mécanismes pour un accès transparent et efficace aux données dans
un système multiprocesseur sur puce

DIRECTEUR DE THESE

Frédéric Pétrot

JURY

M. Jean-François Méhaut, Président
M. Alain Greiner, Rapporteur
M. Olivier Temam, Rapporteur
M. Frédéric Pétrot, Directeur de thèse
M. Olivier Franza, Examinateur
M. Thierry Collette, Examinateur
Étude de méthodes et mécanismes pour un accès
transparent et efficace aux données dans un système
multiprocesseur sur puce
PierreGuironnetdeMassas
20novembre2009

Remerciements
JeremercieenpremierlieumondirecteurdethèseFrédéricPétrot,chefdel’équipeSlSdu
laboratoireTIMA,pourletempsqu’ilaconsacréausuividemestravauxetàsonexpertise
quim’asouventaidéeàrésoudrelesproblèmesrencontrés.
Je remercie également les membres du jury. Messieurs Olivier Temam, directeur de re-
cherche à l’INRIA et Alain Greiner, directeur du département SoC au LIP6 d’avoir accepté
d’être rapporteurs de ces travaux. Messieurs Thierry Collette, chef de service au CEA LIST
etOlivierFranza,ingénieurchezInteld’avoirétéexaminateursdemasoutenancedethèse.
Enfin je remercie monsieur Jean-François Méhaut d’avoir présidé le jury lors de ma soute-
nancedethèse.
Jetiensàremerciertouslescollèguesetamisquim’ontsoutenus,aidésdurantcestrois
années passées au laboratoire. Tout particulièrement Xavier Guérin et Patrice Gerin pour
leurexpertisetechniquesurlessystèmesd’exploitation,langagesdeprogrammationetou-
tilsd’édition.QuentinMeunierpoursonaideprécieuseàlare-lectured’articles,documents
etmanuscritdethèse,ainsiquepoursonaidesurlesproblèmesalgorithmiques.
Je remercie également tous ceux qui m’ont consacré du temps pour les lectures et re-
lectures du manuscrit de thèse, tout particulièrement ma compagne Amandine Brugière et
monpèreEricdeMassas,ainsiqueFrédéricRousseau,PaulAmblardetOlivierMullerqui
m’ontpermisdemeneràbienmasoutenancedethèse.
Enfin,jeremercietouslesmembresdulaboratoireTIMAquim’ontaccordédeleurtemps
pourpartageravecmoileurexpertisetechnique,scientifiqueouadministrative.
PierredeMassas i
ii PierredeMassas
Table des matières
1 Introduction 1
2 Problématique 5
2.1 L’accèsàlamémoire,unpointclé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Unaccèsefficaceàlamémoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 Lalatenced’accès . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.2 Labandepassante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.3 Consommation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Unaccèstransparentàlamémoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.1 Complexitédessystèmesmultiprocesseurs . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.2 Abstractiondesdétailsdel’architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.3 Accèstransparent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Lecontexted’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.5 Cachesetcohérence:denouvellescontraintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5.1 Caches:simplicitéetefficacité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5.2 Cohérencedesdonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5.3 Systèmesembarquésetnouvellescontraintes . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.6 Évaluationetcomparaisondesprotocolesdecohérencemémoire . . . . . . . 11
2.6.1 Modèlesdesimulationetniveauxd’abstraction . . . . . . . . . . . . . 11
2.7 Migrationdesdonnéesdanslapuce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7.1 Lapénalitéd’échec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7.2 Lacongestionsurunbancmémoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7.3 Surfaceutile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7.4 Lasolutionauxproblèmesoulesproblèmesdelasolution? . . . . . . 12
2.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
I 15
3 Cachesetcohérencedesdonnées 17
3.1 Cache:minimiserlalatenceetlabandepassante . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.1 Accèsaucache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.2 Choixdesdonnées,associativitéetordred’évincement . . . . . . . . . 18
3.1.3 Lecachedesinstructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 Politiquesdemiseàjourmémoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 Cohérencedesdonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.1 Bus:espionnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.2 NoC:répertoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.3 Protocolewrite-through,positionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
PierredeMassas iii
TABLEDESMATIÈRES
4 Protocolesdecohérence,miseàjourmémoire 23
4.1 Protocoles,caractéristiquesetmotivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.1.1 Leprotocolewrite-thoughinvalidateetsesavantages . . . . . . . . . . . 23
4.1.2 Protocolescomparésdanscetteétude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.2 Expérimentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2.1 Environnementdesimulationetarchitecturematérielle . . . . . . . . . 27
4.2.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.2.3 Systèmed’exploitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3 Résultatsetcommentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3.1 simple_test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3.2 ApplicationsSPLASH-2etMJPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.4 Conclusiondel’étude. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.5 Limitationsdel’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5 Méthodesd’évaluationetdecomparaisondesprotocolesdecohérence 39
5.1 Modèlesthéoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.2 Simulationsdirigéesparlestraces(tracedriven) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.2.1 Architecturesmonoprocesseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.2.2 Architecturesmultiprocesseurset«effetpapillon» . . . . . . . . . . . 40
5.3 Simulationsdirigéesparlesévènements(eventdriven) . . . . . . . . . . . . . . 40
5.3.1 Précisionetniveaud’abstraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.4 Conceptiondessystèmesetmodélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6 Méthoded’évaluationdesprotocolesmémoire:uncacheomniscient 43
6.1 Protocoleomniscient:obtenirunmeilleurcasd’évaluation . . . . . . . . . . . 43
6.2 Protocoleomniscient,détailsdelasolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.2.1 Actionsélémentairesd’unprotocole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.2.2 Transactionomnisciented’unprotocole . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.2.3 Implémentationetsituationsdecompétition . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.3 Concernantlaconsistancemémoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.4 Détailsdel’implantationdesactionsomniscientespourdesprotocoleswrite-
throughetwrite-backinvalidate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.4.1 Implémentationdesactionsomniscientes . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.4.2 Coûtd’implantationdelaméthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.5 Expérimentations,résultatsetcommentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.5.1 simple_test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.5.2 ApplicationsSPLASH-2etMJPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.6 Limitations:uneborneinférieure«approchée» . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.6.1 Lechemind’exécutionpeutêtremodifié . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.7 Conclusiondel’étude. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
II 63
7 Mémoire,placementetgestiondesdonnées 65
7.1 Architecturesdistribuées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
7.1.1 Placementetdéplacementdesdonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7.1.2 Gestiondel’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.2 Architecturesintégrées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.2.1 placementetdéplacementdesdonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
iv PierredeMassas
TABLEDESMATIÈRES
7.3 Positionnementdenostravaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
8 Migrationdesdonnéesetchoixduplacementidéal 71
8.1 Lepartagedesdonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
8.1.1 Lepartagedesinstructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
8.1.2 Persistancedesdonnéesencache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
8.1.3 Lefauxpartagedesdonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
8.1.4 Lesdonnées:un«tout» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
8.2 CPIetplacementdesdonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
8.2.1 Coûtd’accèsàunedonnée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
8.2.2 MinimisationduCgPI àl’aided’unplacementoptimaldesdonnées . 74
8.3 Congestiond’accès:heuristique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.3.1 Causesdelapathologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.3.2 Solutionmiseenplace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.3.3 Avantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
9 Solutionetimplantationproposéepourlamigrationdynamiquedesdonnées 79
9.1 Déplacerlesdonnéesdanslesystème:choixréalisés . . . . . . . . . . . . . . 79
9.1.1 Granularitédesdéplacements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
9.1.2 Choixd’unesolutionpourletransfertdesdonnées . . . . . . . . . . . 80
9.2 Implantationdelasolutionproposée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
9.2.1 Architectureglobale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
9.2.2 Adressagedesdonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
9.2.3 Déclenchementdelamigration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
9.2.4 Placementdesdonnéesetstabilitédusystème . . . . . . . . . . . . . . 84
9.2.5 Transfertdesdonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
9.2.6 Réactivitédusystèmeetsurcoûtliéàlamigration . . . . . . . . . . . . 86
9.2.7 Évaluationapproximativedusurcoûtensurfacedel’implantation . . 86
9.2.8 Cohérencedestraductions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
9.3 Expérimentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
9.3.1 Environnementdesimulationetarchitecturesmodélisées . . . . . . . 90
9.3.2 Validationdelasolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
9.3.3 Évaluationdelasolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
10 Limitationsetpistesderecherchedel’étudedemigrationdesdonnées 95
10.1 Limitationsdel’étudeetproblèmespotentiels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
10.1.1 Plusd’applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
10.1.2 Passageàl’échelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
10.1.3 Variationdesparamètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
10.2 Améliorationsetvariantesdelasolutionactuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
10.2.1 Techniquededéclenchement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
10.2.2 Compteursd’accèsàbasedefiltresdeBloom . . . . . . . . . . . . . . . 96
10.2.3 Priseencompteducoûtenlatence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
10.3 Pistesderecherchesettravauxfuturs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
10.3.1 Supportparlesystèmed’exploitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
10.3.2 Passageàl’échelleetmigrationsenparallèle . . . . . . . . . . . . . . . 99
11 Conclusion 101
PierredeMassas v
TABLEDESMATIÈRES
12 Publications 105
vi PierredeMassas