多核体系结构是目前工业界和学术界的研究主流。多核体系结构的一个重要方面是Cache一致性协议设计,Cache一致性协议的优劣对系统的性能有重要影响。传统的Cache一致性协议包括监听协议和目录协议。监听协议依赖于共享总线,可扩展性差。目录一致性协议依赖于目录节点进行消息转发,Cache失效延迟大。令牌协议是一种Cache一致性设计的新思路。它以传递和收集令牌的方式实现请求操作,可在无序网络上实现,具有失效延迟低、扩展性相对较好等优点。本文针对多核处理器中令牌协议的优化问题展开研究,主要取得以下研究成果:1.提出了一种基于预测器降低令牌协议通信量的方法。令牌协议基于广播,但广播产生的大量无用消息浪费了很多网络带宽资源,制约了令牌协议的可扩展性。针对这一问题,本文提出了一种基于预测器降低令牌协议通信量的方法。根据应用程序的读/写失效的比例和令牌协议的自身特征,设计了三种预测策略:Owner、Sharer和Hybrid。Owner策略旨在消除读失效引起的广播;Sharer策略用于避免写失效的广播;Hybird策略适合于读/写失效平衡,规模小的程序。试验结果表明:Owner、Sharer和Hybrid分别降低了3.3%、10.7%、7%的连接通信量。在端点通信量方面,Owner、Sharer和Hybrid分别降低了29%、28%、13%的控制类消息和26%、30%、15%的数据类消息。本文针对实际实现中,不同预测器的物理设计约束,分析了容量与协议通信量、失效延迟之间的关系,提出最优预测器的配置方案。2.提出了一种令牌协议的功耗模型。本文提出了一种基于广播的令牌协议功耗模型。该模型建模了广播请求消息产生的片上互连功耗、响应消息引起的访问私有L1 Cache的功耗、传输应答消息引起的片上互连功耗,涵盖了请求节点与目的节点间的距离、多核处理器的规模、目标节点保存数据的概率、以及预测器命中率和成功率等参数。基于此模型,定性分析了预测器命中率和成功率对协议功耗的影响。最后,本文利用GEMS模拟器评估了三种预测策略对功耗的影响。实验结果显示:Owner、Sharer和Hybrid分别降低了21%、19.8%、18.8%的路由器功耗和2%、4.3%、2%的链路功耗。3.提出了一种基于代理目录的避免饿死机制。令牌协议中,由于瞬态请求缺乏顺序性,多个写瞬态请求竞争访问数据时将产生“饿死”现象;令牌“飞行”在传输链路上时的“不可用”现象也会导致请求被“饿死”。本文提出了一种基于代理目录的避免饿死机制。该机制结合了基于Token Tenure的令牌计数规则和基于代理目录的目录协议,分别通过令牌计数规则保证协议的多读单写规则和Token Tenure方法保证协议的前进,而且代理目录Dele Dir还可以降低访问延迟。本文评估了新型令牌协议Dele Dir-ALL的性能。实验结果表明:Dele Dir-ALL的执行速度比目录协议快11%,比基于广播的令牌协议速度快1.7%。在失效延迟方面,Dele Dir-ALL的平均失效延迟比目录协议低2.3%,比基于广播的令牌协议低1.9%。4.提出了一种面向令牌协议的共享数据迁移特征检测方法。基于写作废的协议中,具有迁移特征的访问意味着请求者产生两次请求,一次读请求和一次写请求,如果提前发现数据的迁移特征,就可以将两次通信合并为一次,进而降低协议的通信量。本文提出了共享数据迁移特征检测方法。通过在数据块引入标志位,记录最近一次写者LW、最近一次读者LR和最近一次操作类型Lop,并根据拥有者的令牌数量判断系统中数据共享副本的数量实现迁移特征的检测。本文在令牌协议中应用了该探测方法,通过增加MG状态实现了能在RRMP与MRMP之间自适应转换的一致性协议。实验结果表明:该检测方法以每个数据块13位标识位的硬件开销,降低了平均9%的端点通信量和7.8%的连接通信量,并且分别降低了7.5%的链路功耗和1%的路由器功耗。5.提出了一种面向令牌协议的共享数据生产消费特征检测方法。对于基于广播的令牌协议来说,如果消费者提前获知生产者位置,就可以减少读通信;如果生产者在更新数据时获知消费者的位置,可以减少写通信,进而减少协议的通信量。本文在迁移特征检测方法的基础上引入了消费者列表LC,配合最近一次写者LW和最近一次读者LR可判断数据的生产消费特征。如果数据块的两次写者相同,且两次写中间被其他节点读访问,则判断该数据块具有生产消费特征。实验结果显示:部分应用得到了理想的结果,如程序water-n的连接通信量降低了6%,端点通信量降低了7%。