标题: stream buffer原理 [打印本页]
作者: look_w 时间: 2017-10-24 21:53 标题: stream buffer原理
Stream buffer是一个用于在cache和memory或者L1cache和L2cache之间的预取器，相应地，其目的是用于替代L2cache或者减少L1cache的缺失率
最原始的streambuffer由Jouppi（见参考论文）一个人提出（牛逼吧？论文上也是一个作者），用于在L2和L1cache之间预取数据，后来被Palacharla引申，用于在cache和memory之间预取数据，主要目的是代替L2cache。
一．简单介绍stream buffer原理：Cache miss后如果在stream buffer中查到了相应的数据，则处理器把这个cache block取到cache中。如果遇到cache写回，则bypass stream直接写回，并且把在stream中对应的数据invalidate掉。
streambuffer的硬件逻辑很少，每一个stream buffer需要一个comparator、一个adder、一个小的SRAM用于存储cache block。另外，由于没有RAM查询操作，所以访问stream buffer比访问二级cache快。
由于大部分程序在同一个循环中会访问多个数组，所以可以考虑同时使用多个stream并行预取多组数据。每次发生cache miss，把地址与每个stream的头部tag进行对比，如果命中了其中某个stream，那么就把该cache block预取到cache中。Stream个数少于8个时都不会增加访问时间。
对于streambuffer重要的两个参数是streams的数量和每个stream的深度。深度是指每个stream预取的entry的个数。
Stream buffer的工作过程：为了避免不必要的预取，在stream buffer中使用过滤器（filter），其实现过程是：如果对于cache block的引用i发生了miss，并且对于i+1的引用也发生了miss，那么就分配一个stream用于预取i+2，i+3，等等。其实现过程如下图所示：
1. 保持一个N项的history buffer，其中存放的是最近发生miss的地址的下一个地址，例如a地址发生miss，则把a+1存放到该buffer中。
2. 把每一个在L1cache中发生miss、并且在stream中也miss的地址，与history buffer做比较，如果命中，则说明最近的两次访存是a，a+1，那么很可能接下来a+2,a+3也会被访问，这时候就分配stream用于预取接下来的地址。
3. 如果在historybuffer中没找到对应的地址，那么说明发生miss的地址不是连续的，就把发生miss的地址放入history buffer用于以后的对比。
4. 这个history buffer就是上图中的unit-stride filter。
二，对于非一致的访存进行预取
章节一种讲的是对于访存地址完全连续的情形，有些访存不是完全连续的，有可能是跳跃式但步幅是固定的，比如a+5,a+10，a+15等等。对于此种进行预取的方法是，用有限状态机进行判断，例如下图7。除了多个有限状态机和在filter中多一些标志位，其他都一样，不再赘述。czone用来探测访存在某些地址区间内的热度
Stream buffer的缺点：只考虑cache miss情况，cache 命中的情况不进行预取。事实上cache 命中时也应该考虑预取，比如a地址命中cache，a+1也命中，很可能a+2也会命中。但是根据旧的stream buffer设计，cache命中情况不经过stream，也更不会进入filter。
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