Ein konfigurierbarer, visueller Cache-Simulator unter spezieller Berücksichtigung komponenten- basierter Modellierung mit Java Beans

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1 Ein konfigurierbarer, visueller Simulator unter spezieller Berücksichtigung komponenten- basierter Modellierung mit Java Beans Holger 6. März 2001 Universität Wilhelm-Schickard-Institut für

2 dieser Arbeit Grundidee Designparameter JavaBeans Abstrakter Aufbau eines Simulators Eventmodell Simulator Beans en Klassenbibliothek Grafische Entwicklungsumgebungen Arbeitsbereich 2

3 dieser Arbeit Entwicklung eines Softwarepakets zum Aufbau von Simulatoren komponentenbasiert erweiterbar einfache Anwendbarkeit visuelle Simulation trace-gesteuerte Simulation einsetzbar in größeren Simulationsmodellen Arbeitsbereich 3

4 Gewünscht: möglichst großer 1000 Performance Preis der günstigsten Technologie (DRAM) Zugriffszeit der schnellsten Technologie (Register,SRAM) Überbrückung von Geschwindigkeitslücken z.b.: Processor-DRAM Memory Gap (latency) 1 Moore s Law Time CPU DRAM µproc 60%/yr. (2X/1.5yr) Processor-Memory Performance Gap: (grows 50% / year) DRAM 9%/yr. (2X/10 yrs) David Patterson, UC Berkeley, Spr. 98 UCB Arbeitsbereich 4

5 Lösung: Cache als transparentes Bindeglied zwischen unterschiedlich schnellen Medien einer hierachie Pro-Bit-Kosten Interne Register Onchip Cache Externer Cache (SRAM) Hauptspeicher (DRAM) Massenspeicher (Disk, Optical, Tape) Zugriffszeit / Kapazität Arbeitsbereich 5

6 Cache = schneller Zwischenspeicher für am wahrscheinlichsten referenzierte Daten Lokalitätseigenschaft von Programmen 80% Ausführungszeit i.a. nur 10% Instruktionen räumlich: sequentieller Code, Arrays zeitlich: Programmschleifen, Stacks Terminologie Zeile (block, line): kleinste Verwaltungseinheit im Cache hit: Datum im Cache gefunden, miss: Datum nicht im Cache miss rate: Anteil Zugriffe, die zu einen miss führen miss penalty: zusätzliche Zeit zur Bearbeitung eines miss tag: Teil einer adresse zur Identifikation des aktuellen s einer Cache Zeile Arbeitsbereich 6

7 Wo wird ein ein Block gespeichert? (mapping) direct mapped: in genau einer Zeile fully associative: in jeder Zeile set associative: in jeder Zeile des Sets direct mapped fully associative set associative Set 0 Set 1 Set 2 Set Arbeitsbereich 7

8 set associative mapping, Cachezugriff Hauptspeicheradresse Cache n -1 0 Tag Line Tag Set Wort t i w Zusammen- miss... compare hit x fassung main memory Arbeitsbereich 8

9 Welche Zeile soll bei einem Miss ersetzt werden? direct mapped: keine Auswahl set oder fully associative: random: zufällig Auswahl LRU: am längsten unreferenzierte Zeile Was geschieht bei Schreibzugriffen? allocate on write: Block bei Schreibzugriff in Cache laden? write through: Schreiboperationen sofort weitergeben write back: Schreiboperationen erst beim Ersetzten der Zeile weitergeben Arbeitsbereich 9

10 JavaBeans Komponententechnologie für Java Plattformunabhängigkeit Wiederverwendbarkeit Visuelle Erstellung von Applets und en Persistente Konfiguration Herstellerunabhängige Verwendbarkeit von Entwicklungsumgebungen Spezifikation öffentlicher, parameterloser Konstruktor getter- und setter-methoden für properties Serialisierung und Deserialisierung Kommunikation über Java Eventmodell Signaturschemas für geforderte Methoden Arbeitsbereich 10

11 Abstrakter Aufbau des Simulators Tracefile 2 ff ff read line Tracereader Bean I- fetch D- read D- write Simulator Bean Simulator Bean Simulator Bean Haupt- speicher- Simulator Bean Arbeitsbereich 11

12 Delegation Event Modell Event Object: Signalisierung, Kapselung relevanter Daten Event Source: Eventerzeugung, Listener-Registrierung Event Listener: Interessierte Objekte Eventmodell der Simulator Beans DemandEvent: Anforderung zugriff, Datentransport DemandPerformedEvent: Zugriff ausgeführt, Datentransport Schnittstellen: Demand, DemandInstruction, DemandPerformed Reader fire fire fire listen ReadTrace Demand DemandPerformed DemandInstruction listen fire listen fire Cache fire listen fire listen Demand DemandPerformed listen fire Cache fire listen Cache Arbeitsbereich 12

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14 Simulator Beans jeweils visuell und nichtvisuell ReadTrace: Verwaltung Tracefile Steuerung Simulatormodell Cache: Modellierung Cachefunktionalität Visualisierung Statistik Memory: Modellierung einer einheit Abschluß Simulationsmodell Arbeitsbereich 14

15 Cache Beanproperties - modellierte Designparameter cachesize: Cachegröße in Byte blocksize: Größe der modellierten Cachezeilen associativity: direct mapped = 1, fully = # Cachezeilen replacementpolicy: LRU, Random, FiFo, LFU allocateonwrite: Ladeverhalten bei Schreibzugriffen copyback: Schreibstrategie Registrierbare Event Listener DemandEventListener DemandInstructionListener DemandPerformedListener Implemtierte Listener-Interfaces DemandEventListener DemandInstructionListener DemandPerformedListener Arbeitsbereich 15

16 Cache Bean - Datenmodell Simulation Daten Set 0 Set 1 Set 2 Set m-1 Block 0 Block a-1 Block 0 Block a-1 Block 0 Block a-1 Block 0 Block a-1 Tag Status W 0 W 1 W 2 W... n Arbeitsbereich 16

17 Klassenbibliothek Cache Beans können auch klassisch angewendet werden Objekte erzeugen + initialisieren + platzieren: VisualCache icache = new VisualCache(); icache.setcachesize(8192);... tp.addtab(icache.getname(),icache);... Eventkette aufbauen: reader.adddemandinstructionlistener(icache);... icache.adddemandperformedlistener(reader);... memory.adddemandperformedlistener(icache);... Statistik ausgeben (falls gewünscht): if (myreaderevent.isfinished()) { icache.printstatistic(dcache);...} Applikation übersetzten und starten Arbeitsbereich 17

18 Grafische Entwicklungsumgebungen (z.b.: BeanBox) Beans dem System hinzufügen Aus Toolbox auswählen Visuell platzieren Mittels PropertyEditor konfigurieren Eventverbindungen visuell aufbauen Design speichern, generieren, testen Applet oder kann automatisch erstellen werden Arbeitsbereich 18

19 Arbeitsbereich 19

20 Arbeitsbereich 20

21 Arbeitsbereich 21

22 Arbeitsbereich 22

23 Arbeitsbereich 23

24 miss rate 0,64000% 0,62000% 0,60000% 0,58000% 0,56000% 0,54000% LRU RAND FIFO LFU miss rate Arbeitsbereich 24

25 Entwickelte Cache Beans zum Aufbau von Cachesimulatoren sind: komponentenbasiert! JavaBeans erweiterbar! Objektorientierung einfache Anwendbarkeit! JavaBeans, visuelle Tools visuelle Simulation! flexible JavaSwing Komponenten trace-gesteuerte Simulation! ReadTrace Bean einsetzbar in größeren Simulationsmodellen! Datenmodellierung, nichtvisuelle Beans Arbeitsbereich 25

26 Trends Caches werden in dieser Form schon lange und immer noch prinzipiell gleich verwendet Neuerungen durch Kombination mit anderen Konzepten Tracecache: Cache + branch prediction Arbeitsbereich 26

27 Arbeitsbereich 27

28 Arbeitsbereich 28