探究存儲(chǔ)器特性以分析和預(yù)測(cè)應(yīng)用處理器性能及功耗

　　關(guān)鍵字：存儲(chǔ)器 CPU 多媒體

　　作者：柏瑜

　　Marvell 公司應(yīng)用處理器主任工程師

　　由于超快的 CPU 內(nèi)核與相對(duì)慢的存儲(chǔ)器之間的速度差距在日漸增大，存儲(chǔ)器系統(tǒng)可能成為當(dāng)前制約系統(tǒng)性能的主要瓶頸。此外，低功耗是另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮，尤其在電池供電設(shè)備與日俱增的情況下更是如此。低功耗意味著更長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間和設(shè)備使用時(shí)間。在常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)合，存儲(chǔ)器功耗通常占了應(yīng)用處理器功耗相當(dāng)大的一部分，而且，隨著存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)日益復(fù)雜、容量增大、分層增多，存儲(chǔ)器功耗往往會(huì)迅速增加。因此，降低存儲(chǔ)器功耗非常有利于延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。為了更好地了解各種應(yīng)用的固有行為，有必要探究存儲(chǔ)器的特性、建立存儲(chǔ)器模型，以判斷應(yīng)用是否涉及頻繁的存儲(chǔ)器存取操作，甚至幫助預(yù)測(cè)應(yīng)用的性能。

　　本文提供了一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的方法，能以可接受的精確度動(dòng)態(tài)地表征應(yīng)用的計(jì)算及存儲(chǔ)器的構(gòu)成。

　　描述存儲(chǔ)器特性的方法

　　如果不涉及存儲(chǔ)器操作，那么 CPU 利用率應(yīng)該隨著 CPU 內(nèi)核的頻率呈線性關(guān)系，而應(yīng)用成本（定義為 CPU 利用率和 CPU 頻率的乘積）應(yīng)該保持恒定。但在考慮存儲(chǔ)器存取以后，CPU 利用率就不再隨內(nèi)核頻率呈線性關(guān)系了。在頻率較高時(shí)，存儲(chǔ)器對(duì)性能的影響往往更大，因?yàn)?CPU 要用更多的 CPU 周期等待存儲(chǔ)器的響應(yīng)（這里我們假定，存儲(chǔ)器頻率不隨 CPU 頻率而變）。從這種意義上，應(yīng)用可以分為兩種類型：計(jì)算限定型和存儲(chǔ)器限定型。

　　接下來(lái)，我們來(lái)講述如何用三種不同的方法表征存儲(chǔ)器特性，并幫助確定應(yīng)用的 CPU 利用率。在此，硬件性能信

　　息是通過(guò)查看性能監(jiān)視單元（Performance Monitoring Unit，簡(jiǎn)稱 PMU）來(lái)收集的。因此，Marvell 的方法僅適用于有 PMU 硬件支持的系統(tǒng)。

　　1. 整體數(shù)據(jù)緩存失效率：直覺(jué)上，較高的數(shù)據(jù)緩存失效率意味著更大的存儲(chǔ)器流量。為了獲得數(shù)據(jù)緩存失效率的數(shù)值，我們需要監(jiān)視一級(jí)數(shù)據(jù)緩存和二級(jí)數(shù)據(jù)緩存（如果有的話）的存取操作和失效總數(shù)。

　　2. 主存儲(chǔ)器訪問(wèn)率：外部存儲(chǔ)器控制器的占用率直接表明了存儲(chǔ)器的利用率。為了得 到主存儲(chǔ)器訪問(wèn)率數(shù)值，必須收集兩種 PMU 信息：存儲(chǔ)器控制器被占用的周期總數(shù)；監(jiān)視窗口中的周期總數(shù)。

　　3. 數(shù)據(jù)停頓率：流水線停頓主要由數(shù)據(jù)相關(guān)性引起，而數(shù)據(jù)不可用的原因是存儲(chǔ)器存取速度遠(yuǎn)比 CPU 速度低。因此，流水線的停頓次數(shù)反映了存儲(chǔ)器的流量情況。此外，流水線停頓次數(shù)還表明了存儲(chǔ)器存取的重要性。并不是每次存儲(chǔ)器存取都對(duì)最終性能有關(guān)鍵影響，因此，持續(xù)跟蹤因數(shù)據(jù)相關(guān)性對(duì)性能造成影響的存儲(chǔ)器存取操作，是相當(dāng)有用的。使用這種方法，可以監(jiān)視由數(shù)據(jù)相關(guān)性引起停頓的事件情況。此外，必須記錄總的周期數(shù)，以計(jì)算每個(gè)窗口中的數(shù)據(jù)停頓率。

　　這些不同的方法從不同角度反映出存儲(chǔ)器的特性。我們能以合理的開(kāi)銷使用一種方法或組合使用多種方法，以更有效地進(jìn)行性能分析、做出更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

　　在測(cè)試中，我們使用了 Marvell 的應(yīng)用處理器，運(yùn)行基于 Linux 的操作系統(tǒng)，采用 QVGA LCD 顯示器作為測(cè)試平臺(tái)。該應(yīng)用處理器包括兩級(jí)緩存。在本次研究中，我們專注于 MP3、AAC+和 H.264 解碼器。