While the average-case performance is important for general-purpose applications, worst-case performance is crucial for real-time systems to ensure schedulability and reliability. Recent work has shown that simple prefetching techniques such as the Next-N-Line prefetching can benefit both average-case and worst-case performance; however, the improvement on the worstcase execution time (WCET) is rather limited and inefficient. This paper presents two instruction prefetching approaches that are specially designed to enhance the worst-case performance, including the loop-based prefetching and WCET-oriented prefetching. Our experiments indicate that both instruction prefetching techniques can achieve better worst-case execution cycles than the Next-N-Line prefetching while having various impacts on the average-case performance.
Prefetching aims at reducing memory latency by fetching, in advance, data that are likely to be requested by the processor in a near future. The effectiveness of prefetching is determined by how accurate the prediction on the needed instructions and data is. Most previous studies on prefetching were limited to proposing a particular prefetch scheme and its performance evaluation, paying little attention to theoretical aspects of prefetching. This paper focuses on the theoretical aspects of instruction prefetching. For this purpose, we propose a clairvoyant prefetch model that makes use of perfect history information. Based on this theoretical model, we analyzed upper limits on the prefetch prediction accuracies of the SPEC benchmarks. The results show that the prefetch prediction accuracy is very high when there is no cache. However, as the size of the instruction cache increases, the prefetch prediction accuracy drops drastically. For example, in the case of the spice benchmark, the prefetch prediction accuracy drops from 53% to 39% when the cache size increases from 2Kbyte to 16Kbyte (assuming 16byte block size). These results indicate that as the cache size increases, most localities are captured by the cache and that instruction prefetching based on the information extracted from the references that missed in the cache suffers from prediction inaccuracies
Multimedia applications tend to access their data as a streaming pattern with regular intervals. This characteristic can be utilized in prefetching the multimedia data into cache memory so as to reduce their execution speeds. The reference-prediction prefetch algorithm predicts the memory address that seems to be used in the next time based on the previous history of memory references stored in the prediction reference table. This paper proposes a strategy to manipulate the reference prediction table which contains all of the data reference instructions to scalar and streaming data. We have recognized that the scalar reference instructions do not contribute to the data prefetching algorithm. Therefore, when replacing an element in the reference prediction table, the proposed algorithm preferentially selects the scalar reference instruction before the stream reference instruction. It makes the stream reference instruction to stay for a long time compared to the FIFO replacement policy, and eventually improves the performance of data prefetching.
Uptime of embedded processors for mobile devices are dependent on battery consumption. Especially the large portion of power consumption is known to be due to cache management in embedded processors. This paper proposes an energy efficient data cache structure for high performance embedded processors. High performance prefetching data cache issues prefetching instructions before issuing demand-fetch instructions based on reference predictions. These prefetching instruction bring reduction on memory delay by improving cache hit ratio, but on the other hand those increase energy consumption in proportion to the number of prefetching instructions. In this paper, we adopt tag history table on prefetching data cache for reducing energy consumption by minimizing parallel tag comparison. Experimental results show the proposed data cache improves performance on energy consumption as well as memory delay.
Multimedia applications are required to process the huge amount of data at high speed in real time. The memory reference instructions such as loads and stores are the main factor which limits the high speed execution of processor. To enhance the memory reference speed, cache prefetch schemes are used so as to reduce the cache miss ratio and the total execution time by previously fetching data into cache that is expected to be referenced in the future. In this study, we present an advanced data cache prefetching scheme that improves the conventional RPT (reference prediction table) based scheme. We considers the cache line size in calculation of the address stride referenced by the same instruction, and enhances the prefetching algorithm so that the effect of prefetching could be maintained even if an irregular address stride is inserted into the series of uniform strides. According to experiment results on multimedia benchmark programs, the cache miss ratio has been improved 29% in average compared to the conventional RPT scheme while the bus usage has increased relatively small amount (0.03%).
In general, the hit ratio of the first level cache is one of the most important factors in determining the performance of computer systems. Prefetching from lower level memory structure is one of the most useful techniques for improving the hit ratio of the first level cache. In this paper, we propose a prefetch on continuous same page access (CSPA) scheme which improves the prefetch efficiency of the instruction cache and reduces prefetch cost at the same time. The proposed CSPA scheme traces the page addresses of executed instructions to count how many times the same memory page is accessed continuously. To increase the prefetch efficiency, the CSPA scheme initiates prefetch only if the number of accesses to the same page exceeds the threshold value. Generally, the size of a L1 cache block is smaller than that of a L2 cache block. Therefore, one L2 cache block contains a number of L1 cache blocks. To reduce the number of unnecessary accesses to the L2 cache due to prefetch, the CSPA scheme enables prefetch only when the missed L1 block and the prefetch L1 block are in the same L2 cache block, leading to reduced prefetch cost. According to our simulations, the proposed prefetching scheme improves the performance by up to 6.7%.
Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers
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v.52
no.10
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pp.82-94
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2015
In this paper, we propose hardware prefetch mechanism with an efficient cache replacement policy by giving priority to the trigger block in which a spatial region and producing a spatial region by using the displacement field. It could be taken into account the sequence of the program since a history is based on the trigger block of history record, and it could be quickly prefetching the instructions or data address by adding a stored value to the trigger address and displacement field since a history is stored as a displacement value. Also, we proposed a method of replacing at random by the cache replacement policy from the low priority block when the cache area is full after giving priority to the trigger block. We analyzed using the memory simulator program gem5 and PARSEC benchmark to assess the performance of the hardware prefetcher. As a result, compared to the existing hardware prefecture to generate the spatial region using a bit vector, L1 data cache miss rate was reduced about 44.5% on average and an average of 26.1% of L1 instruction misses occur. In addition, IPC (Instruction Per Cycle) showed an improvement of about 23.7% on average.
Memory reference instruction caused by cache miss is the critical factor that limits the processing power of processor. Cache prefetching technique is an effective way to reduce the latency due to memory access. However, excessively aggressive prefetch leads to cache pollution and finally to cancel out the advantage of prefetch. In this study, an active prefetch filtering scheme is introduced which dynamically decides whether to commence prefetching after referring a filtering table to reduce the cache pollution due to unnecessary prefetches. For the precision filtering, an evicted address referencing scheme has been proposed where the filter directly compares the current prefetch address with previous unnecessary prefetch addresses stored in filtering table. Moreover, a small sized exclusive prefetch cache has been introduced to increase the amount of eviction of unnecessarily prefetched addresses to enhance the accuracy of dynamic filtering. The exclusive prefetch cache also prevents useful demand data from being pushed out by prefetched data, while the evicted address direct referencing scheme enables the prefetch cache to keep most of useful prefetch data within its small size. Experimental results from commonly used general and multimedia benchmarks show that the average cache miss ratio has been decreased by $13.3{\%}$ by virtue of enhanced filtering accuracy compared with conventional schemes.
R-trees have been traditionally optimized for the I/O performance with the disk page as the tree node. Recently, researchers have proposed cache-conscious variations of R-trees optimized for the CPU cache performance in main memory environments, where the node size is several cache lines wide and more entries are packed in a node by compressing MBR keys. However, because there is a big difference between the node sizes of two types of R-trees, disk-optimized R-trees show poor cache performance while cache-optimized R-trees exhibit poor disk performance. In this paper, we propose a cache and disk optimized R-tree, called the PR-tree (Prefetching R-tree). For the cache performance, the node size of the PR-tree is wider than a cache line, and the prefetch instruction is used to reduce the number of cache misses. For the I/O performance, the nodes of the PR-tree are fitted into one disk page. We represent the detailed analysis of cache misses for range queries, and enumerate all the reasonable in-page leaf and nonleaf node sizes, and heights of in-page trees to figure out tree parameters for best cache and I/O performance. The PR-tree that we propose achieves better cache performance than the disk-optimized R-tree: a factor of 3.5-15.1 improvement for one-by-one insertions, 6.5-15.1 improvement for deletions, 1.3-1.9 improvement for range queries, and 2.7-9.7 improvement for k-nearest neighbor queries. All experimental results do not show notable declines of the I/O performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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