Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем

Мультипроцессорная когерентность кэш-памяти 5 1 7

Порядок перехода строки кэш-памяти из одного состояния в другое зависит от: текущего статуса строки, выполняемой операции (чтение или запись), результата обращения в кэш (попадание или промах) и, наконец, от того, является ли строка совместно используемой или нет. На рис. 11.14 приведена диаграмма основных переходов без учета режима однократной записи.

Предположим, что один из процессоров делает запрос на чтение из строки, ко­ торой в текущий момент нет в его локальной кэш-памяти (промах при чтении). Запрос будет широковещательно передан по шине. Если ни в одном из кэшей не нашлось копии нужной строки, то ответной реакции от контроллеров наблюдения других процессоров не последует, строка будет считана в кэш запросившего про­ цессора из основной памяти, а копии будет присвоен статус Е. Если в каком-либо из локальных кэшей имеется искомая копия, от соответствующего контроллера слежения поступит отклик, означающий доступ к совместно используемой строке. Все копии рассматриваемой строки во всех кэшах будут переведены в состояние S, вне зависимости от того, в каком состоянии они были до этого (М, Е или S).

Когда процессор делает запрос на запись в строку, отсутствующую в его ло­ кальной кэш-памяти (промах при записи), перед загрузкой в кэш-память строка должна быть считана из основной памяти (ОП) и модифицирована. Прежде чем процессор сможет загрузить строку, он должен убедиться, что в основной памяти действительно находится достоверная версия данных, то есть что в других кэшах отсутствует модифицированная копия данной строки. Формируемая в этом слу­ чае последовательность операций носит название чтения с намерением модифика­ ции (RWITM, Read With Intent To Modify). Если в одном из кэшей обнаружилась копия нужной строки, причем в состоянии М, то процессор, обладающий этой ко­ пией, прерывает RWITM-последовательность и переписывает строку в ОП, после чего меняет состояние строки в своем кэше на I. Затем RWITM-последователь­ ность возобновляется и делается повторное обращение к основной памяти для счи­ тывания обновленной строки. Окончательным состоянием строки будет М, при котором ни в ОП, ни в других кэшах нет еще одной достоверной ее копни. Если копия строки существовала в другом кэше и не имела состояния М, то такая копия аннулируется и доступ к основной памяти производится немедленно.

Кэш-попадание при чтении не изменяет статуса читаемой строки. Если про­ цессор выполняет доступ для записи в существующую строку, находящуюся в со­ стоянии S, он передает на шину широковещательный запрос, с тем чтобы инфор­ мировать другие кэши, обновляет строку в своем кэше и присваивает ей статус М. Все остальные копии строки переводятся в состояние I. Если процессор произво­ дит доступ по записи в строку, находящуюся в состоянии Е, единственное, что он должен сделать, — это произвести запись в строку и изменить ее состояние на М, поскольку другие копии строки в системе отсутствуют.

На рис. 11.15 показана типичная последовательность событий в системе из двух процессоров, запрашивающих доступ к ячейке х. Обращение к любой ячейке стро­ ки кэш-памяти рассматривается как доступ ко всей строке.

Проиллюстрируем этапы, когда процессор 2 пытается прочитать содержимое ячейки х" (рис. 11.16). Сперва наблюдается кэш-промах по чтению и процессор пытается обратиться к основной памяти. Процессор 1 следит за шиной, обнаружи­ вает обращение к ячейке, копия которой есть в его кэш-памяти и находится в

Мультипроцессорная когерентность кэш-памяти 5 t 9

сор 2 получает строку, содержащую х", и загружает ее в свою кэш-память. Обе копии помечаются как S.

До сих пор рассматривалась версия протокола MESI без однократной записи. С учетом однократной записи диаграмма состояний, изображенная на рис. 11.14, немного видоизменяется. Все кэш-промахи при чтении вызывают переход в состо­ яние S. Первое попадание при записи сопровождается переходом в состояние Е (так называемый переход однократной записи). Следующее попадание при записи влечет за собой изменение статуса строки на М.

Протоколы на основе справочника

Протоколы обеспечения когерентности на основе справочника характерны для слож-

ных мультипроцессорных систем с совместно используемой памятью, где процес­ соры объединены многоступенчатой иерархической сетью межсоединений. Слож­ ность топологии приводит к тому, что применение протоколов наблюдения с их механизмом широковещания становится дорогостоящим и неэффективным.

Протоколы на основе справочника предполагают сбор и отслеживание инфор­ мации о содержимом всех локальных кэшей. Такие протоколы обычно реализуются с помощью централизованного контроллера, физически представляющего собой часть контроллера основной памяти. Собственно справочник хранится в основ­ ной памяти. Когда контроллер локальной кэш-памяти делает запрос, контроллер справочника обнаруживает такой запрос и формирует команды, необходимые для пересылки данных из основной памяти либо из другой локальной кэш-памяти, содержащей последнюю версию запрошенных данных. Центральный контроллер отвечает за обновление информации о состоянии локальных кэшей, поэтому он должен быть извещен о любом локальном действии, способном повлиять на состо­ яние блока данных.

Справочник содержит множество записей, описывающих каждую кэшируемую ячейку ОП, которая может быть совместно использована процессорами системы. Обращение к справочнику производится всякий раз, когда один из процессоров изменяет копию такой ячейки в своей локальной памяти. В этом случае информа­ ция из справочника нужна для того, чтобы аннулировать или обновить копии из­ мененной ячейки (или всей строки, содержащей эту ячейку) в прочих локальных кэшах, где такие копии имеются.

Дли каждой строки общего пользования, копия которой может быть помещена в кэш-память, в справочнике выделяется одна запись, хранящая указатели на ко­ пии данной строки. Кроме того, в каждой записи выделен один бит модификации (D), показывающий, является ли копия «грязной»- (D = 1 - dirty) или «чистой»- (D = 0 - clean), то есть изменялось ли содержимое строки в кэш-памяти после того, как она была туда загружена. Этот бит указывает, имеет ли право процессор про­ изводить запись в данную строку.

Внастоящее время известны три способа реализации протоколов обеспечения когерентности кэш-памяти на основе справочника: полный справочник, ограни­ ченные справочники и сцепленные справочники.

Впротоколе полного справочника единый централизованный справочник поддерживает информацию обо всех кэшах. Справочник хранится в основной памяти. .

Контрольные вопросы 5 2 3

3.Дайте сравнительную характеристику однородного и неоднородного доступов

кпамяти.

4.В чем заключаются преимущества архитектуры СОМА?

5.Проведите сравнительный анализ моделей с кэш-когерентным и кэш-некоге­ рентным доступом к неоднородной памяти.

6.Сформулируйте достоинства и недостатки архитектуры без прямого доступа

кудаленной памяти.

7.Объясните смысл распределенной и совместно используемой памяти.

8.Разработайте свой пример, иллюстрирующий проблему когерентности кэш­ памяти.

9.Охарактеризуйте особенности программных способов решения проблемы ко­ герентности, выделите их преимущества и слабые стороны.

10.Сравните методики записи в память с аннулированием и записи в память с тран­ сляцией, акцентируя их достоинства и недостатки.

11.Дайте сравнительную характеристику методов для поддержания когерентности

вмультипроцессорных системах.

12 Выполните сравнительный анализ известных вам протоколов наблюдения.

13.Какой из протоколов наблюдения наиболее популярен? Обоснуйте причины повышенного к нему интереса.

14.Дайте развернутую характеристику протоколов когерентности на основе спра­ вочника и способов их реализации. В чем суть отличий этих протоколов от про­ токолов наблюдения?