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Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual Hugo Henrique Cassettari Edson Toshimi Midorikawa EPUSP - Escola Politécnica.

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1 Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual Hugo Henrique Cassettari Edson Toshimi Midorikawa EPUSP - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo PCS - Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais

2 Objetivo Descrever o Elephantools: Um pacote composto por ferramentas de software voltadas à caracterização de cargas de trabalho em experimentos sobre gerência de memória virtual. III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP

3 Motivação Elephantus ­ Ambiente para avaliação de sistemas de memória ­ Conjunto de simuladores Dificuldade de caracterizar cargas de trabalho ­ Localidades espacial e temporal ­ Padrões de acesso à memória ­ Freqüência de reutilização das páginas III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP

4 Apresentação Análise de localidade ­ Recursos gráficos tradicionais ­ Precisão, relevância e limitação dos dados Pacote Elephantools ­ TelaTrace ­ Mapa3D ­ Trace Explorer Aplicação das ferramentas ­ Estudo de caso III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP

5 Análise de Localidade Localidade de referências: espacial / temporal Working set III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP Tempo virtual (acessos à memória) Espaço de endereçamento virtual Exemplo de localidade espacial de acessos Exemplo de localidade temporal de acessos Working set: páginas acessadas em um intervalo de tempo

6 Gráfico (Mapa) de Acessos III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP Tempo virtual (acessos à memória) Espaço de endereçamento virtual

7 III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP Gráfico (Mapa) de Acessos Limitações ­ Tamanho original: perda da visão global ­ Tamanho reduzido: compressão visual com perda de dados

8 Superfícies de Localidade III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP (Brigham Young University)

9 III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP Superfícies de Localidade Benefícios ­ Destaca características de acesso à memória sobressalentes ­ Informação concisa (processada) Limitações ­ Possível compressão visual com perda de dados ­ Ausência da informação cronológica

10 Pacote Elephantools TelaTrace ­ Gráficos de acesso tradicionais (em duas dimensões) Mapa3D ­ Gráficos de acesso tridimensionais Trace Explorer ­ Gráficos de execução simulada no contexto do modelo LRU ­ Dados gerais e estatísticos sobre os traces analisados III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP

11 Ferramenta TelaTrace Gráficos de acesso bidimensionais ­ Diversas possibilidades de ampliação ­ Visão global sempre presente ­ Resolução definida pelo usuário Recursos adicionais para traces com formato especial ­ Diferenciação entre processadores (programas paralelos) ­ Diferenciação entre tipos de acesso à memória: leitura / gravação III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP

12 Ferramenta TelaTrace Janela principal: visão global

13 III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP Ferramenta TelaTrace Janela de aproximação: visão parcial detalhada

14 Ferramenta Mapa3D Gráficos de acesso tridimensionais ­ Um gráfico de acessos visualmente comprimido se transforma em uma superfície de acessos à memória ­ A terceira dimensão informa quantos pontos foram aglutinados em cada posição x,y ­ Resolução definida pelo usuário ­ Não desenha os gráficos: gera coordenadas em arquivos-texto III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP

15 Ferramenta Mapa3D Gráfico de acessos 3D (desenhado com o Microsoft Excel)

16 III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP Ferramenta Mapa3D Versões 2D e 3D referentes ao mesmo mapa de acessos

17 Ferramenta Trace Explorer Gráficos bidimensionais e tridimensionais – Modelo LRU ­ Recência dos acessos à memória (posição na fila LRU) ­ Histograma da recência dos acessos ­ Variação da recência dos acessos ­ Distância temporal entre acessos a uma mesma página ­ Entre outros Dados gerais e estatísticos sobre os traces ­ Número total de acessos e de páginas referenciadas ­ Posição média dos acessos na fila LRU e desvio padrão ­ Variação média da posição dos acessos na fila e desvio padrão ­ Lista de todas as páginas referenciadas com estatísticas individuais III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP

18 Ferramenta Trace Explorer Modelo LRU (Least Recently Used) Fila LRU (memória)

19 III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP Ferramenta Trace Explorer Mapa de recência dos acessos (desenhado com o Gnuplot)

20 III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP Ferramenta Trace Explorer Mapa de distância entre acessos a uma mesma página

21 III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP Estudo de Caso Dados gerais e estatísticos – Pacote de traces VMTrace ­ A maioria dos traces consome pouca memória em sua execução ­ Os acessos se concentram em páginas que ocupam as primeiras posições da fila LRU ­ Existe uma certa regularidade no intervalo entre acessos a uma mesma página

22 III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP Estudo de Caso – Programa Grobner Mapa de acessos bidimensional ­ Working set médio tende a aumentar com o tempo ­ Presença de localidade temporal e espacial

23 III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP Estudo de Caso – Programa Grobner Mapa de acessos tridimensional ­ Concentração dos acessos em uma faixa diagonal do gráfico ­ Páginas tendem a ser muito exploradas em somente um período ­ Padrão seqüencial de acessos do ponto de vista macroscópico

24 III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP Estudo de Caso – Programa Grobner Mapa bidimensional da recência dos acessos à memória ­ Os acessos acontecem em páginas que ocupam posições variadas na fila LRU, principalmente após a metade do processamento ­ Muito poucos acessos recaem em posições da fila superiores a 40

25 III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP Estudo de Caso – Programa Grobner Mapa tridimensional da recência dos acessos à memória ­ Concentração dos acessos nas posições iniciais da fila LRU ­ Páginas com forte localidade temporal são referenciadas em meio a páginas pouco acessadas no período

26 III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP Estudo de Caso – Programa Grobner Variação da recência dos acessos à memória ­ Grande simetria em relação à posição de variação zero ­ As páginas tendem a ocupar sempre uma mesma posição na fila LRU quando são acessadas ­ Quando a posição varia, normalmente retorna à situação original no acesso seguinte

27 III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP Estudo de Caso – Programa Grobner Mapa bidimensional da recência dos acessos à memória (participação da página mais referenciada pelo programa) ­ A página 5E geralmente ocupa uma posição inferior a 10 na fila LRU quando é acessada ­ O algoritmo LRU é relativamente eficiente quanto às substituições que realiza

28 III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP Estudo de Caso – Programa Grobner Previsão de faltas de página ­ Em quase 60% dos acessos, a página referenciada ocupa a 2ª posição da fila LRU: localidade temporal constante ­ Uma memória de tamanho 8 é suficiente para garantir uma taxa de faltas de página inferior a 2% com o algoritmo LRU

29 III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP Estudo de Caso – Programa Grobner Formas de apresentação visual dos dados tabulares ­ Histograma ­ Curva acumulada

30 Conclusão Pacote Elephantools ­ Caracterização de cargas de trabalho quanto ao uso da memória ­ Documentação gráfica de experimentos realizados ­ Explanação simples e intuitiva acerca das conclusões Trabalhos futuros ­ Aprimoramento das ferramentas existentes ­ Nova ferramenta: melhor visualização das superfícies de localidade Agradecimentos ­ Elizabeth S. Sorenson (Brigham Young University) ­ Scott F. Kaplan (Amherst College) III WPerformance / 2004 – Caracterização de Cargas de Trabalho em Estudos sobre Gerência de Memória Virtual - EPUSP

31 Contato Hugo Henrique Cassettari: Edson Toshimi Midorikawa: ESCOLA POLITÉCNICA DA USP Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais Laboratório de Arquitetura e Software Básico Av. Prof. Luciano Gualberto, travessa 3, 158, Cidade Universitária CEP: , São Paulo-SP


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