存儲器特性分析和預(yù)測應(yīng)用處理器性能及功耗

由于超快的CPU內(nèi)核與相對慢的存儲器之間的速度差距在日漸增大，存儲器系統(tǒng)可能成為當(dāng)前制約系統(tǒng)性能的主要瓶頸。此外，低功耗是另一個重要的設(shè)計(jì)考慮，尤其在電池供電設(shè)備與日俱增的情況下更是如此。低功耗意味著更長的電池續(xù)航時(shí)間和設(shè)備使用時(shí)間。在常見的應(yīng)用場合，存儲器功耗通常占了應(yīng)用處理器功耗相當(dāng)大的一部分，而且，隨著存儲器設(shè)計(jì)日益復(fù)雜、容量增大、分層增多，存儲器功耗往往會迅速增加。因此，降低存儲器功耗非常有利于延長電池續(xù)航時(shí)間。為了更好地了解各種應(yīng)用的固有行為，有必要探究存儲器的特性、建立存儲器模型，以判斷應(yīng)用是否涉及頻繁的存儲器存取操作，甚至幫助預(yù)測應(yīng)用的性能。

本文提供了一種簡單、經(jīng)濟(jì)的方法，能以可接受的精確度動態(tài)地表征應(yīng)用的計(jì)算及存儲器的構(gòu)成。

描述存儲器特性的方法

如果不涉及存儲器操作，那么CPU利用率應(yīng)該隨著CPU內(nèi)核的頻率呈線性關(guān)系，而應(yīng)用成本(定義為CPU利用率和CPU頻率的乘積)應(yīng)該保持恒定。但在考慮存儲器存取以后，CPU利用率就不再隨內(nèi)核頻率呈線性關(guān)系了。在頻率較高時(shí)，存儲器對性能的影響往往更大，因?yàn)镃PU要用更多的CPU周期等待存儲器的響應(yīng)(這里我們假定，存儲器頻率不隨CPU頻率而變)。從這種意義上，應(yīng)用可以分為兩種類型：計(jì)算限定型和存儲器限定型。

接下來，我們來講述如何用三種不同的方法表征存儲器特性，并幫助確定應(yīng)用的CPU利用率。在此，硬件性能信息是通過查看性能監(jiān)視單元(Performance Monitoring Unit，簡稱PMU)來收集的。因此，Marvell的方法僅適用于有PMU硬件支持的系統(tǒng)。

1. 整體數(shù)據(jù)緩存失效率：直覺上，較高的數(shù)據(jù)緩存失效率意味著更大的存儲器流量。為了獲得數(shù)據(jù)緩存失效率的數(shù)值，我們需要監(jiān)視一級數(shù)據(jù)緩存和二級數(shù)據(jù)緩存(如果有的話)的存取操作和失效總數(shù)。

2. 主存儲器訪問率：外部存儲器控制器的占用率直接表明了存儲器的利用率。為了得 到主存儲器訪問率數(shù)值，必須收集兩種PMU信息：存儲器控制器被占用的周期總數(shù);監(jiān)視窗口中的周期總數(shù)。

3. 數(shù)據(jù)停頓率：流水線停頓主要由數(shù)據(jù)相關(guān)性引起，而數(shù)據(jù)不可用的原因是存儲器存取速度遠(yuǎn)比CPU速度低。因此，流水線的停頓次數(shù)反映了存儲器的流量情況。此外，流水線停頓次數(shù)還表明了存儲器存取的重要性。并不是每次存儲器存取都對最終性能有關(guān)鍵影響，因此，持續(xù)跟蹤因數(shù)據(jù)相關(guān)性對性能造成影響的存儲器存取操作，是相當(dāng)有用的。使用這種方法，可以監(jiān)視由數(shù)據(jù)相關(guān)性引起停頓的事件情況。此外，必須記錄總的周期數(shù)，以計(jì)算每個窗口中的數(shù)據(jù)停頓率。