处理机的Cache一致性.ppt

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1、主讲人：处理机的Cache一致性主要内容问题的提出一，多个cache不一致的原因二，如何解决Cache一致性问题2.1监听协议2.2基于目录的协议问题提出Cache（高速缓冲存储器）：它的设计是为了解决cpu与主存之间速度差距太大的矛盾；Cache的工作原理是基于程序访问的局部性。cpu主存cache外存在多核和多处理器系统中，多个Cache对应的copy内容应该一致，如下图：MemoryCachecoreCachecore……Cachecore这几个copy应该一致一、多个Cache不一致的原因共享可写的数据进程迁移I/O传输要解决多处理机的Cache一致性问题，首先要研究一致性问题

2、的由来。出现不一致的原因有3个：1.共享可写数据引起的不一致性以拥有两个处理机的系统为例，处理机带有各自的私有Cache，并共享一个主存储器。P1XP2XXP1XP2XXP1和P2的本地高速缓存存储器C1和C2中分别有共享主存的某个数据X的拷贝。P1改写C1中的X，使之变为X’。X’若P1采用“写通过”策略，即处理机改写Cache中的数据时同时修改内存中相应的数据，那么，内存中的X也同时变为X’，但是，处理机P2的本地高速缓冲存储器C2中的X仍然是X。X’当P2要读X时，它是从C2中去读取，这就导致了P2从C2中读取的X同内存中的X’不一致。P1XP2XX’X若P1采用“写回”策略，即

3、处理改写Cache中的数据时并不同时修改内存中相应的数据，而是在包含该数据的数据块调出Cache时才写回内存，那么，内存中的X还是X导致C1中的X’同内存中的X的不一致2.进程迁移引起的不一致性情况一：P1XP2X若P1的进程对X进行了修改，使之变为X’X’采用“写回”策略，暂时没有对内存中的X进行修改。由于某种原因，该进程迁移到了P2上运行P2上的该进程运行时将从内存中读取X并将X调入C2那么，这个迁移了的进程此时读取的是X，而不是它先前修改过的X’。XP1的C1中有共享数据X的拷贝，而P2的C2中没有该共享数据情况二：以上两种情况都是由于进程迁移引起的数据不一致。P1XP2XXP1

4、的C1和P2的C2中都有共享数据X的拷贝X’P2的进程修改了C2中的X，改变为X’并采用“写通过”策略，使内存中的X也修改为X’X’由于某种原因该进程迁移到P1上此时P1的C1中仍然是X，而不是它先修改过的X’。3.I/O传输引起的不一致性若P1的C1和P2的C2中都有共享数据X的拷贝P1P2XXXI/O存储器X’I/O处理机将一个新的数据X’写入内存代替XX’内存和Cache之间的数据不一致性。P1XP2XXI/O存储器处理机P1运行过程中修改了X的值，使之变为X’X’P1采用“写回”策略，那么，C1中的X’同内存中的X是不一致的若I/O处理机要求输出X，那么，内存就会将内存中的X的

5、值传送给I/O处理机X传送给I/O处理机的将不是修改后的X’若C1和C2中都有X的拷贝二，如何解决Cache一致性问题为了解决多处理机Cache一致性问题，提出了两类解决Cache一致性问题的协议机制：监听协议和基于目录的协议。监听协议基于目录的协议。概述采用写通过策略的Cache状态采用写回策略的Cache状态写一次协议2.1，监听协议概述监听协议通过总线监听机制实现高速缓存和共享存储器之间的数据一致性监听协议的两种策略•写无效(Write-Invalidate)策略写无效策略是在本地Cache的数据块修改时,使所有相应的远程数据块拷贝都无效•写更新(Write-Update)策略写

6、更新策略是在本地Cache的数据块修改时,通过总线把改写的数据块广播到含有该数据块拷贝的所有其他Cache监听协议的两种策略1.写无效（writeinvalidate）任一core写它的私有Cache时，它都使所有其它的Cache中的副本失效。对Write-through，它也更新memory中的副本（最终是一个Cache中的副本和memory中的副本是有效的）。对Write-back，它使memory中的副本也失效（最终只有一个Cache中的副本是有效的）。2.写更新（writeupdate）任一处理器写它的私有Cache时，它都立即更新所有其它的Cache中的副本。对Write-t

7、hrough，它也更新主存储器中的副本。对Write-back，对存储器中副本的更新延迟到这个Cache被置换的时刻。例子Write-Update监听协议分别采用写无效策略和写更新策略的区别P1P2XXX更新之前X’X’P1将它的高速缓存C1中的X修改成X’Write-InvalidateCache的写通过策略同时将内存中的X也修改成X’I写无效策略则将远程高速缓存C2中的X变成无效（无效数据块用I表示）写更新策略将包含X1的新数据块通过总线广