This paper introduces the first open-source FPGA-based infrastructure, MetaSys, with a prototype in a RISC-V core, to enable the rapid implementation and evaluation of a wide range of cross-layer techniques in real hardware. Hardware-software cooperative techniques are powerful approaches to improve the performance, quality of service, and security of general-purpose processors. They are however typically challenging to rapidly implement and evaluate in real hardware as they require full-stack changes to the hardware, OS, system software, and instruction-set architecture (ISA). MetaSys implements a rich hardware-software interface and lightweight metadata support that can be used as a common basis to rapidly implement and evaluate new cross-layer techniques. We demonstrate MetaSys's versatility and ease-of-use by implementing and evaluating three cross-layer techniques for: (i) prefetching for graph analytics; (ii) bounds checking in memory unsafe languages, and (iii) return address protection in stack frames; each technique only requiring ~100 lines of Chisel code over MetaSys. Using MetaSys, we perform the first detailed experimental study to quantify the performance overheads of using a single metadata management system to enable multiple cross-layer optimizations in CPUs. We identify the key sources of bottlenecks and system inefficiency of a general metadata management system. We design MetaSys to minimize these inefficiencies and provide increased versatility compared to previously-proposed metadata systems. Using three use cases and a detailed characterization, we demonstrate that a common metadata management system can be used to efficiently support diverse cross-layer techniques in CPUs.


翻译:本文介绍第一个基于开放源码的基于FPGA的FDGA基础设施MetSys,其原型为RISC-V核心,以便能够迅速实施和评价各种实际硬件的跨层技术。硬件软件合作技术是改进通用处理器的性能、服务质量和安全的有力方法。然而,这些技术通常具有挑战性,难以在实际硬件中迅速实施和评价,因为它们要求对硬件、OS、系统软件和指令设置架构进行全面修改。MetSys采用丰富的硬件软件界面和轻量级元数据支持,可以用作快速实施和评价新的跨层技术的共同基础。我们通过实施和评价三种跨层处理器的性能、服务质量、服务质量、服务质量和利用率,我们利用MetAS的多层技术,通过实施和评价三种跨层技术,展示MetASyyy的多功能性能和易用性能。我们利用这些通用的系统,通过对通用的系统进行详细性能分析,通过Servical Servical的系统,我们利用这些通用性、高层次的元数据系统进行初步的实验性分析。

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