Soporte arquitectónico a la sincronización imparcial de lectores y escritores en computadores paralelos

Abstract

La evolución tecnológica en el diseño de microprocesadores ha conducido a sistemas paralelos con múltiples hilos de ejecución. Estos sistemas son más difíciles de programar y presentan overheads mayores que los sistemas uniprocesadores tradicionales, que pueden limitar su rendimiento y escalabilidad: sincronización, coherencia, consistencia y otros mecanismos requeridos para garantizar una ejecución correcta. La programación paralela tradicional se basa en primitivas de sincronización como barreras y locks de lectura/escritura, con alta tendencia a fallos de programación. La Memoria Transaccional (TM) oculta estos problemas de sincronización al programador; sin embargo, múltiples sistemas TM aún se basan en locks, y se beneficiarían de una implementación eficiente de los mismos.<br/>Esta tesis presenta nuevas técnicas hardware para acelerar la ejecución de estos programas paralelos. Proponemos un sistema TM híbrido basado en locks de lectura/escritura, que minimiza los overheads del software cuando la aceleración hardware está presente. Desarrollamos un mecanismo para garantizar fairness entre transacciones hardware y software. Introducimos un mecanismo distribuido de aceleración de locks de lectura/escritura, llamado Lock Control Unit. Finalmente, proponemos una organización de multiprocesadores basadas en Kilo-Instruction Processors que garantiza Consistencia Secuencial y permite especulación en secciones críticas.

Technological evolution in microprocessor design has led to parallel systems with multiple execution threads. These systems are more difficult to program and present higher performance overheads than the traditional uniprocessor systems, what may limit their performance and scalability: synchronization, coherence, consistency and other mechanisms required to guarantee a correct execution. Traditional parallel programming is based on synchronization primitives such as barriers, critical sections and reader/writer locks, highly prone to programming errors. Transactional Memory (TM) removes the synchronization problems from the programmer. However, many TM systems still rely on reader/writer locks, and would get benefited from an efficient implementation.<br/>This thesis presents new hardware techniques to accelerate the execution of such parallel programs. We propose a Hybrid TM system based on reader/writer locks, which minimizes the software overheads when acceleration hardware is present, still allowing for correct software-only execution. We propose a mechanism to guarantee fairness between hardware and software transactions is provided. We introduce a low-cost distributed mechanism named the Lock Control Unit to handle fine-grain reader-writer locks. Finally, we propose an organization of a mutiprocessor based on Kilo-Instruction Processors, which guarantees Sequential Consistency while allowing for speculation in critical sections.