[發(fā)明專利]基于親和性感知的DMA緩沖區(qū)管理方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210078365.7
• 申請日: 2012-03-22
• 公開（公告）號: CN102662891A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發(fā)明（設計）人: 程旭;鐘祺;管雪濤;王晶
• 申請（專利權(quán)）人: 北京北大眾志微系統(tǒng)科技有限責任公司
• 主分類號: G06F13/28
• 分類號: G06F13/28;G06F12/08
• 代理公司: 常州市維益專利事務所 32211
• 代理人: 路接洲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及到計算機系統(tǒng)的內(nèi)存管理方法，一種基于親和性感知的DMA緩沖區(qū)管理方法及裝置。

背景技術(shù)

外設的輸入輸出各需要經(jīng)歷4個步驟。輸入的4個步驟是：(1)將數(shù)據(jù)從外設復制到內(nèi)核空間。如果沒有提供DMA(direct?memory?access)方式，則復制操作由CPU執(zhí)行，數(shù)據(jù)將兩次經(jīng)過存儲總線；(2)對數(shù)據(jù)進行校驗和計算，此操作涉及到所有的傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)將再次經(jīng)過存儲總線；(3)將數(shù)據(jù)從內(nèi)核復制到用戶空間，此操作必須由CPU執(zhí)行，數(shù)據(jù)跨越內(nèi)核與用戶空間，經(jīng)過兩次存儲總線；(4)應用從用戶空間獲取數(shù)據(jù)。與接收過程相對，輸出也需要類似的4個步驟。顯然，在整個輸入/輸出過程中，數(shù)據(jù)最多會6次經(jīng)過存儲總線，存儲總線需要提供6倍于I/O數(shù)據(jù)流的帶寬。

隨著片上多處理器系統(tǒng)的普及，多個線程會共享使用片上Cache資源，包括應用程序和內(nèi)核線程，其中I/O處理屬于典型的內(nèi)核線程。但是傳統(tǒng)的最近最少使用(LRU)的Cache替換策略并不能區(qū)分不同線程的訪問，因此一個線程的Cache失效可能會替換屬于另一個線程的Cache塊，該問題被稱為線程間干擾。為了減少線程間的干擾，相關(guān)工作使用親和性描述數(shù)據(jù)的分布與訪存性能的關(guān)系。進程在包含其所需數(shù)據(jù)的處理器上運行，能減少數(shù)據(jù)在處理器之間的流動，提高處理器的訪存效率，即數(shù)據(jù)在存儲層次中的位置決定了訪存的開銷。

特別是在近幾年高速帶寬和設備的出現(xiàn)，系統(tǒng)含有大量用于處理I/O的線程，其與應用程序并行執(zhí)行。因此，Cache的干擾問題不僅僅局限于應用程序之間，在I/O和應用之間同樣會存在Cache干擾的問題。由于I/O的數(shù)據(jù)重用度較低，并且每次外設進行I/O時，Cache中的部分數(shù)據(jù)會因替換而寫回主存。一旦設備I/O的過程結(jié)束，被寫回的數(shù)據(jù)需要再次被使用時，又需要從主存中讀取。

因此，針對處理器中各個線程間共享的存儲資源，特別是對于資源受限和設計較為簡單的嵌入式系統(tǒng)，需要借助操作系統(tǒng)來管理資源，更需要從軟件的角度提供一種改進的內(nèi)存管理方法，方法的靈活性和通用性，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)性能的優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提出一種基于親和性感知的DMA緩沖區(qū)管理方法及裝置，解決如何減少I/O處理過程引入的偏外存儲訪問，包含兩個方面：1.)降低I/O處理過程自身的訪存開銷；2.)緩解I/O處理過程引入的Cache污染問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種基于親和性感知的DMA緩沖區(qū)管理方法，包括：以親和性的高低將緩沖區(qū)分為兩類，并確定不同I/O處理過程對緩沖區(qū)親和性的需求。并使用純軟件的手段，在操作系統(tǒng)層來標識緩沖區(qū)的親和性。

具體的說，以輸出處理過程的特點來標識低親和性緩沖區(qū)，具體包括：輸出過程中，由于一致性維護操作后，處理器不再訪問輸出緩沖區(qū)，所以將最近釋放的輸出緩沖區(qū)記錄為低親和性。

以輸入處理過程的特點來標識高親和性緩沖區(qū)，具體包括：當輸入過程中，緩沖區(qū)釋放前，處理器需要將輸入緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖區(qū)，所以將最近釋放的輸入緩沖區(qū)標識為高親和性。

將不同親和性的緩沖區(qū)集中管理，具體包括：所有最近被釋放的低親和性緩沖區(qū)存放于低親和性鏈表中，最近被釋放的高親和性緩沖區(qū)存放于高親和性鏈表中。

針對不同親和性的緩沖區(qū)采用不同的管理策略，具體包括：對于高親和性的緩沖區(qū)采用先進先出的管理策略，使高親和性的緩沖區(qū)能盡快被重用，避免高親和性緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)被擠出Cache；對于低親和性的緩沖區(qū)采用后進先出的管理策略，使推遲低親和性緩沖區(qū)被重用的時機，保證緩沖區(qū)中盡可能多的數(shù)據(jù)位于Cache之外。

同時，本發(fā)明還提供了一種基于親和性感知的DMA緩沖區(qū)管理裝置，包括緩沖區(qū)親和性分析模塊，緩沖區(qū)收集模塊和緩沖區(qū)管理模塊，其中：

緩沖區(qū)親和性分析模塊，用于分析系統(tǒng)中緩沖區(qū)親和性的高低；高親和性的緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)會大量占據(jù)Cache資源；而親和性低的緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)會大量位于Cache之外；該模塊將被釋放緩沖區(qū)的親和性信息傳遞給緩沖區(qū)收集模塊；

緩沖區(qū)收集模塊，用于收集被標了親和性的緩沖區(qū)；其中高親和性和低親和性的緩沖區(qū)被分開存放，分別保存于兩個不同的鏈表中，便于后續(xù)分配緩沖區(qū)時能夠快速定位不同親和性的緩沖區(qū)；緩沖區(qū)收集模塊將鏈表中是否含有對應緩沖區(qū)的信息傳遞給緩沖區(qū)分配模塊，供后續(xù)的分配過程進行決策；