Die meisten Algorithmen werden auf dem RAM -Modell analysiert, das unter anderem davon ausgeht, dass der Zugriff auf den Hauptspeicher genauso schnell wie die arithmetische Operation von zwei Wörtern ist, die sich in den CPU -Registern befinden. In den letzten 20 Jahren ist die Geschwindigkeit von CPUs jedoch rapide angestiegen, wobei die Hauptspeichergeschwindigkeit nur langsam zugenommen hat. Der Grund dafür besteht darin, dass die treibende Kraft bei der Entwicklung von neuen Prozessoren die Geschwindigkeit und bei der Entwicklung von Speicherchips die Speicherkapazität ist. Somit wird die vereinfachende Annahme des RAM-Modells heutzutage stark verletzt.
Um die Diskrepanz zwischen CPU- und Hauptspeichergeschwindigkeit zu reduzieren, werden Hardware Caches eingesetzt, die jeweils einen Teil der Hauptspeicherdaten vorhalten und diese schnell zur Verfügung stellen. Bei der Entwicklung von effizienten Algorithmen müssen diese Caches berücksichtigt und optimal genutzt werden. Eine weitere hardwaretechnische Gegebenheit, die für effiziente Algorithmen berücksichtigt werden muss, stellt der Translation Lookaside Buffer (TLB) dar, der in fast allen modernen Computersystemen zu finden ist. Dieser TLB erhöht die Geschwindigkeit von Systemen mit virtuellem Speicher, der dazu benutzt wird um Programme ausführen zu können, deren Speicherbedarf den vorhandenen physischen Hauptspeicherplatz übersteigt.
Zunächst wird in Kapitel 2 auf den Virtuellen Speicher mit TLB und auf die Hardware Caches eingegangen. Aufbauend auf diesen hardwaretechnischen Gegebenheiten wird in Kapitel 3.1 der Radix-Sort Algorithmus vorgestellt, der dann in Kapitel 3.2 für verschiedenen Modelle optimiert wird: das RAM-Modell, das Cache Memory Model (CMM), das Caches berücksichtigt, und das Internal Memory Model (IMM), das zusätzlich den TLB berücksichtigt. In Kapitel 3.3 wird dann eine modifizierte Variante des Algorithmus – PLSB Radix-Sort – vorgestellt. Abschließend werden in Kapitel 4 die verschiedenen Optimierungen und Varianten von Radix-Sort miteinander verglichen.
Inhaltsverzeichnis
- Entwicklung der CPU- und Hauptspeichergeschwindigkeit
- Virtueller Speicher und Hardware Caches
- Virtueller Speicher
- Paging und Segmentierung
- Die Seitentabelle
- Der Translation Lookaside Buffer (TLB)
- Hardware Caches
- Blockplatzierung
- Blockidentifikation
- Blockersetzung
- Write-Strategie
- Klassifizierung von Cache misses
- Virtueller Speicher
- Optimierter Radix-Sort für Hardware Caches und TLB
- Der Radix-Sort Algorithmus
- Counting-Sort
- Laufzeitabschätzung
- Parameterwahl für Radix-Sort
- Parameterwahl im RAM-Modell
- Parameterwahl im Cache Memory Model (CMM)
- Parameterwahl im Internal Memory Model (IMM)
- PSLSB Radix-Sort
- Der Radix-Sort Algorithmus
- Fazit
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Ausarbeitung befasst sich mit der Optimierung des Radix-Sort Algorithmus für Hardware Caches und TLB. Ziel ist es, die Effizienz des Algorithmus in Bezug auf die Cache- und TLB-Performance zu verbessern und damit die Gesamtleistung zu steigern.
- Die Entwicklung der CPU- und Hauptspeichergeschwindigkeit und die daraus resultierenden Herausforderungen für die Speichernutzung.
- Die Funktionsweise des virtuellen Speichers, inklusive Paging, Segmentierung, Seitentabellen und TLB.
- Die Funktionsweise von Hardware Caches, einschließlich Blockplatzierung, Blockidentifikation, Blockersetzung, Write-Strategien und Cache misses.
- Die Optimierung des Radix-Sort Algorithmus für Hardware Caches und TLB, mit besonderem Fokus auf Parameterwahl und Cache-Performance.
- Die Analyse der Auswirkungen von unterschiedlichen Cache- und TLB-Parametern auf die Leistung des Radix-Sort Algorithmus.
Zusammenfassung der Kapitel
- Kapitel 1 gibt einen Überblick über die Entwicklung der CPU- und Hauptspeichergeschwindigkeit und die daraus resultierenden Herausforderungen für die Speichernutzung. Die steigende Leistungsdifferenz zwischen CPU und Hauptspeicher führt zu einer erhöhten Bedeutung von Cache- und TLB-Optimierung.
- Kapitel 2 beschreibt die Funktionsweise des virtuellen Speichers und von Hardware Caches. Es werden die grundlegenden Konzepte des Paging und der Segmentierung, sowie die Funktionsweise von Seitentabellen und TLB vorgestellt. Der Abschnitt über Hardware Caches erläutert die verschiedenen Arten der Blockplatzierung, Blockidentifikation, Blockersetzung, Write-Strategien und die Klassifizierung von Cache misses.
- Kapitel 3 konzentriert sich auf die Optimierung des Radix-Sort Algorithmus für Hardware Caches und TLB. Es werden verschiedene Parameterwahlstrategien für unterschiedliche Speichermodelle vorgestellt, um die Cache-Performance des Algorithmus zu verbessern. Der Abschnitt über PSLSB Radix-Sort erläutert eine spezielle Variante des Algorithmus, die für die TLB-Optimierung entwickelt wurde.
Schlüsselwörter
Die wichtigsten Schlüsselwörter in dieser Arbeit sind: Radix-Sort, Hardware Caches, TLB, CPU, Hauptspeicher, virtuelle Adressierung, Cache-Performance, TLB-Performance, Paging, Segmentierung, Blockplatzierung, Blockersetzung, Cache misses, Parameterwahl, PSLSB Radix-Sort, Speichernutzung, Optimierung.
- Quote paper
- Andreas Toeche-Mittler (Author), 2004, Algorithmen für Hardware Caches und TLB, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/38692
