利用内存映射连续性提高TLB地址覆盖范围的技术评测1
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国家科技重大专项(2018ZX01029101)资助
收稿日期: 2019–11–28; 修回日期: 2020–02–04
北京大学学报(自然科学版) 第 56 卷 第 6 期 2020 年 11 月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 56, No. 6 (Nov. 2020)
doi: 10.13209/j.0479-8023.2020.101
利用内存映射连续性提高 TLB 地址
覆盖范围的技术评测
班义琨 张炜奇 周昱晨 易江芳
†
北京大学信息科学技术学院系统结构研究所, 北京 100871; † 通信作者, E-mail: yijiangfang@mprc.pku.edu.cn
摘要 定义并评测典型基准测序程序内存映射中的连续性分布, 验证程序的内存映射中普遍存在多样的连续
性(混合连续性)。对利用内存映射连续性提高 TLB 翻译覆盖范围的技术进行评测, 发现混合连续性的存在能
够限制现有技术在真实场景中的实际效果。
关键词 虚拟存储; 混合连续性; 变换旁路缓冲器
Evaluation of Technologies Improving Translation Coverage
of TLB Using Continuity of Memory Mapping
BAN Yikun, ZHANG Weiqi, ZHOU Yuchen, YI Jiangfang
†
School of Electronics Engineering and Computer Science, Peking University, Beijing 100871;
† Corresponding author, E-mail: yijiangfang@mprc.pku.edu.cn
Abstract The authors define and evaluate the continuity distribution in memory mapping of some typical
benchmark programs, and verifiy the existence of multiple types of continuity (mixed continuity) in memory
mapping of programs. Furthermore, some technologies using continuity of memory mapping to improve translation
coverage of TLB are evaluated. It is found that the existence of mixed continuity limits the actual effect of existing
technologies in real scenes.
Key words virtual memory; mixed continuity; TLB (translation lookaside buffer)
虚拟存储技术在通用计算机系统中普遍使用,
并且逐渐应用到像图形处理器(graphics processing
unit, GPU)等加速器中
[1–3]
。变换旁路缓冲器(tran-
slation lookaside buffer, TLB)对虚拟地址(VPN)到物
理地址(PPN)的翻译性能十分关键。然而, 由于高
内存占用的程序引发的存储容量需求逐渐增大, 地
址翻译的时间开销也越来越大, 甚至可以达到实际
执行时间的
50%
[4]
。为了减少页表遍历(page table
walk)的开销, 许多方法都利用内存映射中存在的连
续性来扩大
TLB 表项的覆盖范围
[5–9]
。
本文通过对广泛使用的基准测试程序进行连续
性评测, 并定量地分析各种连续性的分布情况, 发
现大多数程序中都存在不止一种连续性。通过分析
和评测一些现存的扩大
TLB 地址覆盖范围的技术,
发现这些技术都采用合并表项或合并页面的
TLB
结构, 能够匹配的连续性是单一的甚至固定的, 未
能充分利用存在的多种连续性, 所以在真实场景下
不能获得理想的效果。
1 内存映射中的连续性
本文使用连续性来描述程序执行过程中内存映
射中的连续块分布。
定义
1 连续块表示页表中多个页的集合, 这
些页的虚拟地址和物理地址都是连续的, 不存在一
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