TP6 : Modélisation d'un contrôleur de cache L1

1 Objectifs

L'objectif de ce TP est d'analyser en détail le modèle du composant VciXcacheWrapper, dont l'architecture interne a été présentée en cours. Ce composant contient quatre automates fonctionnant en parallèle (DCACHE_FSM, ICACHE_FSM, CMD_FSM et RSP_FSM), qui communiquent entre eux par des registres protégés par des bascules de type SET/RESET.

Il contient un tampon d'écriture postées, qui ne permet qu'une seule transaction d'écriture VCI à la fois. Ce tampon est accédé par les trois automates DCACHE_FSM, CMD_FSM et RSP_FSM.

Après avoir analysé en détail le comportement du composant VciXcacheWrapper, on souhaite le modifier pour qu'il utilise un tampon d'écritures postées plus évolué, supportant plusieurs transactions d'écriture simultanées, et on évaluera expérimentalement le gain en performance obtenu.

2 Analyse du composant VciXcacheWrapper

Créez un répertoire de travail TP6, et décompressez l'archive soclib_tp6.tgz​. Cette archive contient en particulier les deux fichiers tp6_top.cpp et tp6_top.desc, qui définissent une architecture monoprocesseur presque identique à celle du TP4. Elle contient une ROM, une RAM, un TIMER, un contrôleur TTY, un contrôleur de disque IOC, un contrôleur d'écran graphique FBF, un coprocesseur GCD, un contrôleur DMA et un concentrateur d'interruptions ICU.

La seule différence par rapport au TP4 est qu'on utilise un micro-réseau (composant VciVgmn) au lieu d'un bus (composant VciVgsb). Le micro-réseau supporte plusieurs transactions simultanées, mais possède une latence importante: une vingtaine de cycles pour acheminer la commande VCI, et autant pour acheminer la réponse VCI.

L'application logicielle qui se trouve dans le répertoire soft est l'application d'affichage d'images sur le terminal graphique du TP4. Vous devez donc re-utiliser le fichier images.raw que vous avez utilisé dans le TP4.

Compilez l'application logicielle dans le répertoire soft . Générez le simulateur du prototype virtuel en utilisant le Makefile qui vous est fourni. Lancez l'éxécution de l'application logicielle sur le prototype virtuel:

$ ./simulator.x -IOCFILE path_to_images.raw 

Question : En moyennant sur plusieurs images, évaluez le nombre de cycles nécessaires pour lire sur disque et afficher une image? Combien cela représente-t-il de cycles par pixel?

Vous pouvez consulter le code du composant VciXcacheWrapper ​ici, en cliquant sur les liens définis dans la section 2 (CABA implementation).

Ce composant utilise deux classes C++ pour représenter d'une part le tampon d'écritures postées (​write_buffer), et d'autre part les deux caches instructions et données (​generic_cache).

Prenez le temps de lire le code du contrôleur de cache pour répondre aux questions suivantes:

Question : Comment est implémenté l'interface entre le contrôleur de cache et l'ISS (Instruction Set Simulator) représentant le processeur?

automate ICACHE

Question : Quels sont les conditions de sortie vers les deux états successeurs possibles de l'état IDLE de l'automate ICACHE_FSM ?

Question : Comment l'automate ICACHE transmet-il ses requêtes vers l'automate VCI_CMD?

Question : Si la réponse VCI à une lecture d'instruction signale une erreur d'adressage, comment cette erreur est-elle signalée au processeur?

Question : Donner l'expression de la condition irsp.valid (réponse valide à une requête de lecture instruction en provenance du processeur).

Question : représentez le graphe des transitions de l'automate ICACHE.

automate DCACHE

Question : Quelles sont les conditions de sortie vers les six états successeurs possibles de l'état IDLE de l'automate DCACHE_FSM ? Quelles sont les deux requêtes spéciales (autres que des lectures ou des écritures en mémoire) qui sont acceptées par ce composant ?

Question : Quelle est l'utilité de l'état DCACHE_MISS_SELECT?

Question : Si la réponse VCI à une lecture de donnée signale une erreur d'adressage, comment cette erreur est-elle signalée au processeur? Comment est signalée une erreur d'adressage suite une écriture ?

Question : Quels sont les états successeurs possibles de l'état DCACHE_WRITE_REQ?

Question : Donner l'expression de la condition drsp.valid (réponse valide à une requête de lecture ou d'écriture de donnée en provenance du processeu)?

Question : représentez le graphe des transitions de l'automate DCACHE.

automate VCI_CMD

Question : L'automate VCI_CMD peut être décrit comme un serveur. Quels sont ses clients? Quelle est la politique de priorité implémentée par ce contrôleur en cas de requête simultanée par différents clients?

Question : Quelles sont les 4 types de transactions VCI qui peuvent être émises par cet automate?

Question : Quelles sont les conditions de sortie vers les états successeurs de l'état IDLE?

Question : En consultant le code de l'objet write_buffer, expliquez le fonctionnement du tampon d'écritures postées. A quelle condition une transaction d'écriture VCI aura-t-elle une longueur supérieure à un flit?

Question : représentez le graphe des transitions de l'automate VCI_CMD.

automate VCI_RSP

Question : Quelles sont les conditions de sortie vers les états successeurs de l'état IDLE?

Question : Comment l'automate VCI_RSP communique-t-il avec les deux automates DCACHE et ICACHE? Comment signale-t-il une éventuelle erreur de lecture reportée par la cible VCI?

Question : Comment l'automate VCI_RSP signale-t-il la fin d'une transaction d'écriture au tampon d'écritures? A quoi sert cette signalisation? Comment signale-t-il une erreur d'écriture reportée par la cible VCI?

Question : Représenter le graphe des transitions de l'automates VCI_RSP.

3 Instrumentation

Le composant VciXcacheWrapper contient un certains nombres de compteurs permettant d'afficher des statistiques sur le comportement du processeur et du cache. Bien qu'ils ne participent pas au fonctionnement du cache, ces compteurs se comportent comme des registres: ils sont donc initialisés lors du reset et sont incrémentés dans la fonction de transition. Du point de vue implémentation, ces registres d'instrumentations sont les variables membre de la classe VciXcacheWrapper qui sont préfixées par m_.

Répondez précisément aux questions suivantes:

Question : Comment est calculé le nombre moyen de cycles par instruction (CPI) ?

Question : Comment sont calculés le miss_rate (taux de miss) et le miss_cost (coût moyen du miss) pour chacun des deux caches ?

Question : A quoi correspond le write_cost (cout moyen d'écriture) pour le tampon d'écritures postées ? comment est-il calculé?

Relancez la simulation en activant la génération des statistiques (avec une période de 100000 cycles) avec la commande suivante:

$  ./simulator.x -IOCFILE path_to_images.raw -STATS 1000000

Question : Qelles valeurs obtenez-vous à la fin de l'affichage de la première image, pour le CPI, les taux de MISS, le coût des miss, le coût des écritures ? Comment interprêtez-vous ces résultats ? Pour conforter votre interprétation, vous pouvez relancer la simulation en faisant varier la latence du NOC (paramètre -LATENCY sur la ligne de commande).

4 Modification du composant VciXcacheWrapper

Lorsque la latence des transactions est importante, le processeur est souvent gelé en raison de requêtes d'écriture qui ne peuvent être satisfaites car le tampon d'écritures est plein. Plus ennuyeux, lorsque le tampon d'écriture est plein, le coût des miss augmente, car les écritures sont prioritaires par rapport aux lectures. On souhaite donc modifier le contrôleur de cache pour qu'il utilise un tampon d'écritures plus évolué, permettant de ne pas attendre la réponse à une transaction d'écriture (n) pour envoyer la commande de la transaction (n+1). On souhaite également que les transactions de lecture - qui entraînent un gel du processeur - soient prioritaires par rapport aux transactions d'écriture, lorsque l'adresse de lecture ne correspond à aucune adresse d'écriture en attente dans le tampon d'écriture.

4.1 Tampon d'écritures postées

La classe C++ ​multi_write_buffer modélise un tampon d'écritures postées plus évolué, permettant de stocker plusieurs requêtes d'écriture indépendantes. Chacune de ces requêtes peut avoir une longueur supérieure à un flit.

Analysez le code du multi_write_buffer pour répondre aux questions suivantes:

Question : Quelle est la signification des 4 arguments du constructeur de cet objet ?

Question : Quels sont les quatre états possibles d'une ligne du multi_write_buffer ?

Question : Qelles sont la ou les méthodes qui peuvent être utilisées par l'automate DCACHE_FSM pour modifier l'état interne du multi_write_buffer ?

Question : Qelles sont la ou les méthodes qui peuvent être utilisées par l'automate CMD_FSM pour modifier l'état interne du multi_write_buffer ?

Question : Quelles sont la ou les méthodes qui peuvent être utilisées par l'automate RSP_FSM pour modifier l'état interne du multi_write_buffer ?

Question : A quoi sert la méthode update() ? Pourquoi doit-elle être appelée à chaque cycle ?

4.2 Modification du contrôleur de cache

L'archive soclib_tp6.tgz qui vous est fournie contient un répertoire vci_xcache_wrapper_advanced, qui contient lui_même les 3 fichiers vci_xcache_wrapper_advanced.cpp, vci_xcache_wrapper_advanced.h, vci_xcache_wrapper_advanced.sd, décrivant une version modifiée du contrôleur de cache L1. Le fichier vci_xcache_wrapper_advanced.cpp est incomplet, et vous devez le compléter.

On rappelle que l'instruction assembleur sync a pour effet de synchroniser la mémoire, ce qui signifie en pratique que cette instruction est bloquante tant que toutes les instructions d'écriture précédant l'instruction sync n'ont pas été effectuées. Cette instruction se traduit par une écriture externe dans le pseudo-registre XTN_SYNC. Dans le composant vci_xcache_wrapper, où les écritures sont prioritaires sur les lectures, l'instruction sync est simplement implémentée comme une instruction nop. Cette implémentation n'est plus possible dans un contrôleur de cache où les lectures peuvent passer avant les écritures.

Pour compléter le modèle du contrôleur de cache, vous respecterez les consignes suivantes:

• Le composant doit supporter plusieurs transactions VCI simultanées, avec la priorité suivante entre les 5 types de transactions : DMISS > IMISS > WRITE > DUNC > IUNC.
• Les requêtes DMISS et IMISS ne peuvent passer avant les requêtes de type WRITE enregistrées dans le tampon d'écritures que si elles portent sur des adresses différentes.
• Les requêtes d'écritures non cachables (correspondant généralement à une écriture dans un registre d'un périphérique) sont bloquantes, et ne sont donc pas enregistrées dans le tampon d'écritures postées.
• En cas d'instruction sync (écriture dans le pseudo registre XTN_SYNC), le processeur doit être bloqué tant que le tampon d'écritures postées n'est pas vide.
• Les deux automates VCI_CMD et VCI_RSP doivent être totalement synchronisées, et vous utiliserez le champs VCI TRDID pour identifier les différents types de transactions VCI s'exécutant en parallèle.

Question : Comparez les fichiers d'interface vci_xcache_wrapper.h et vci_xcache_wrapper_advanced.h, et identifiez les modifications qui ont été introduites.

Question : Complêtez le fichier d'implémentation vci_xcache_wrapper_advanced.cpp

Question : Modifiez les fichier tp6_top.cpp et tp6_top.desc décrivant l'architecture globale, pour instancier le composant VciXcacheWrapperNew à la place du composant VciXcacheWrapper, et renommez ces fichiers tp6_top_advanced.cpp et tp6_top_advanced.desc.

Générez le prototype virtuel pour l'architecture ainsi modifiée avec la commande ci-dessous. L'argument ( -I vci_xcache_wrapper_advanced ) indique à l'outil de compilation soclib-cc qu'il faut utiliser le répertoire local vci_xcache_wrapper_advanced.

$ soclib-cc -P -p tp6_top_advanced.desc -o simulator_advanced.x -I vci_xcache_wrapper_advanced

Lancez l'exécution, en conservant une latence de 20 cycles pour le NOC (valeur par défaut), en définissant sur la ligne de commande les paramètres du tampon d'écritures (8 lignes de 4 mots), et en activant l'affichage des statistiques :

$ ./simulator_advanced.x -IOCFILE path_to_images.raw -WBUFW 4 -WBUFL 8 -STATS 1000000

Question : Combien faut_il de cycles pour charger et afficher une image en utilisant le composant multi_write_buffer? Comment varient les performances en fonction de la latence du NOC ?

Question : Est-il possible de diminuer la taille du tampon d'écriture postées sans dégrader trop fortement les performances ?

5 Compte-Rendu

Vous devez réaliser un compte-rendu pour ce TP en répondant aux questions et en décrivant le code que vous avez réalisé.