As a throughput-oriented device, Graphics Processing Unit(GPU) has already integrated with cache, which is similar to CPU cores. However, the applications in GPGPU computing exhibit distinct memory access patterns. Normally, the cache, in GPU cores, suffers from threads contention and resources over-utilization, whereas few detailed works excavate the root of this phenomenon. In this work, we adequately analyze the memory accesses from twenty benchmarks based on reuse distance theory and quantify their patterns. Additionally, we discuss the optimization suggestions, and implement a Bypassing Aware(BA) Cache which could intellectually bypass the thrashing-prone candidates. BA cache is a cost efficient cache design with two extra bits in each line, they are flags to make the bypassing decision and find the victim cache line. Experimental results show that BA cache can improve the system performance around 20\% and reduce the cache miss rate around 11\% compared with traditional design.

Στη σύγχρονη εποχή το κενό απόδοσης μεταξύ του επεξεργαστή και της μνήμης ενός σύγχρονου υπολογιστικού συστήματος συνεχώς μεγαλώνει. Είναι λοιπόν σημαντικό να ερευνηθούν νέοι τρόποι για να καλυφθεί η αδυναμία της κύριας μνήμης να ακολουθήσει τον επεξεργαστή. Η μνήμη cache ήταν ανέκαθεν ένα χρήσιμο εργαλείο προς αυτήν την κατεύθυνση. Χρειάζεται όμως πλέον να προχωρήσει πέρα από την απλοϊκή μορφή της και τον αλγόριθμο LRU Η παρούσα διπλωματική έχει σαν σκοπό την μελέτη της cache σε πραγματικό περιβάλλον και την ανάλυση της δυνατότητας και της χρησιμότητας της πρόβλεψης της συμπεριφοράς ενός σύγχρονου προγράμματος όσον αφορά την προσπέλαση της μνήμης. Η εργασία επικεντρώνεται στην χρήση τεχνικών dynamic instrumentation για την υλοποίηση ενός μηχανισμού πρόβλεψης της απόστασης επαναχρησιμοποίησης μιας θέσης μνήμης, μέσω της ανάλυσης και μελέτης της συμπεριφοράς της εντολής, που ζητά να προσπελάσει την συγκεκριμένη θέση μνήμης. Αναλύεται εκτενώς η λειτουργία ενός τέτοιου μηχανισμού και παρέχονται στατιστικές μετρήσεις που επιβεβαιώνουν την χρησιμότητα και ευστοχία μιας τέτοιας πρόβλεψης. / In contemporary times the performance gap between the CPU and the main memory of a modern computer system grows larger. So it is important to find new ways to cover the inability of the main memory to cope with the CPU’s performance. Cache memory has always been a useful tool towards this goal. However the need arises for it to move beyond simplistic implementations and algorithms like LRU. The present end year project aims towards the study of cache memory in a real time environment and the analysis of the capability and usefulness of prediction of the memory access behaviour of a modern program. The thesis puts weight on the use of dynamic instrumentation techniques for the creation of a prediction mechanism of the reuse distance of a memory address, through the analysis and study of the behavior of the instruction that accessed this memory address. The function of such a mechanism is analyzed in depth and statistical measures are provided to prove the usefulness and accuracy of such a prediction.

Η αλματώδης αύξηση της ταχύτητας του επεξεργαστή δημιούργησε ένα χάσμα μεταξύ αυτού και της κύριας μνήμης. Η αρχιτεκτονική υπολογιστών καλείται να δώσει λύση στο πρόβλημα αυτό εφαρμόζοντας νέες τεχνικές στην ιεραρχία μνημών. Να αποκρύψει δηλαδή αυτή την καθυστέρηση έχοντας όμως περιορισμούς στην σχεδίαση ως προς τον χώρο και την κατανάλωση. Για τον λόγο αυτό προτείνουμε μια νέα τεχνική που συνδυάζει συμπίεση και πρόγνωση αποστάσεων επαναχρησιμοποίησης. Η συμπίεση αυξάνει την αποθηκευτική δυνατότητα της μνήμης και η πρόγνωση αποστάσεων επαναχρησιμοποίησης βοηθά στην σωστή επιλογή του μπλοκ προς συμπίεση. Η διπλωματική εργασία έχει ως στόχο την διερεύνηση του μοντέλου συμπίεσης με αλγόριθμο (FPC) και πρόγνωσης βάση εντολής αποστάσεων επαναχρησιμοποίησης (IbRDP) σε κρυφές μνήμες δευτέρου επιπέδου, ως προς την βελτιστοποίηση που μπορεί να επιφέρει στην ταχύτητα εκτέλεσης των προγραμμάτων καθώς και σε άλλες παραμέτρους. Διερευνήθηκαν διάφορα μοντέλα και στο βέλτιστο μοντέλο επετεύχθησαν σημαντικές αυξήσεις στην ταχύτητα εκτέλεσης των μετροπρογραμμάτων (16% αύξηση γεωμετρικού μέσου IPC στο 1ΜΒ) ενώ μόνο ένα μετροπρόγραμμα παρουσίασε έντονη μείωση της τάξης του 17 %. / the gap of speed between CPU and main memory is a problem than need to be solved by proposing new techniques on cache hierarchies, so the delay of fetching data from the main memory will be eliminated. We propose a new techinque of compression and reuse distance prediction. This compression will increase the capacity of L2 cache memory and the reuse distance prediction will find the most appropriate block to compress The thesis aims to search the combinational model of compression (FPC) and Reuse distance Predictor (IbRDP)on L2 cache memories. Several models have been simulated and the optimal model had increased execution speed of benchmarks (16% improvement in geometric mean IPC 1MB) while only one bencmark reduced its execution speed by 17%.

No description available.