A trace-driven methodology to evaluate memory management services of distributed operating systems for lightweight manycores

Abstract

Os lightweight manycores pertencem a uma nova classe de processadores emergentes de baixa potência para a era Exascale. Esses processadores apresentam vários desafios para o desenvolvimento de aplicações, como arquitetura de memória distribuída, quantidade limitada de memória no chip e nenhuma coerência de cache. Recentemente, Sistemas Operacionais distribuídos foram propostos para enfrentar esses desafios de forma transparente. Nesses sistemas, diferentes serviços do Sistema Operacional são implantados nos núcleos do processador, sendo o serviço de gerenciamento de memória um dos mais importantes. No entanto, os desafios citados anteriormente sobre lightweight manycores trazem vários obstáculos para o design, implementação e otimizações futuras de serviços de gerenciamento de memória. Esta dissertação propõe uma metodologia baseada em traces para avaliar e otimizar recursos do serviço de gerenciamento de memória em Sistemas Operacionais distribuídos para lightweight manycores. Usando uma representação compacta do padrão de acesso às páginas das aplicações, a metodologia consegue imitar o padrão de acesso à memória das aplicações originais no Sistema Operacional distribuído rodando em um lightweight manycore. A metodologia foi integrada em um Sistema Operacional distribuído (Nanvix) e validada usando cinco aplicações de um benchmark específico para lightweight manycores (Capbench). Em seguida, a metodologia foi aplicada para realizar um estudo de caso usando uma implementação de cache gerenciada por software disponível no Nanvix. A metodologia permitiu avaliar várias configurações e diferentes políticas de substituição de páginas no processador MPPA, mesmo sem o suporte necessário da arquitetura para implementá-los.

Abstract: Lightweight manycores belong to a new class of emerging low-power processors for the Exascale era. These processors present several challenges for the development of applications, such as distributed memory architecture, limited amount of on-chip memory and no cache coherence. Recently, distributed Operating Systems have been proposed to address these challenges in a transparent way. In these systems, different Operating Systems services are deployed across the processor cores, being the memory management service one of the most important. However, the aforementioned challenges of lightweight manycores bring several demands to the design, implementation and future optimizations of memory management services. This dissertation proposes a trace-driven methodology to evaluate and optimize features of a memory management service of distributed Operating Systems for lightweight manycores. By using a compact representation of the page access pattern of applications, our methodology is capable of mimicking the memory access pattern of the original applications on the target distributed Operating System running on a lightweight manycore. The methodology was integrated in a distributed Operating System (Nanvix) and validated using five applications from a specific benchmark for lightweight manycores (Capbench). Then, the methodology was applied to carry out a case study using a software-managed cache implementation available in Nanvix. The methodology enables evaluation of several configurations and different page replacement policies on MPPA processor, even without the support from the architecture to implement them.