Когерентность кэша

Определение

Когерентность определяет поведение чтения и записи в одну и ту же ячейку памяти. Кэши являются когерентными, если выполняются все следующие условия:

1. Когда процессор P читает местоположение X, после записи в это местоположение, P должен получить значение, которое он записал, если никакой другой процессор не записал другое значение в это место. Это справедливо и для монопроцессорных систем, это означает, что память способна хранить записанное значение.
2. Предположим, есть два процессора, P₁ и P₂, и P₁ записал значение X₁, а после этого P₂ записал значение X₂, если P ₁читает значение, он должен получить значение, записанное P₂, X₂, а не то значение, которое он записал, X₁, если нет других записей между ними. Это означает, что представление памяти является когерентным. Если процессоры могут прочитать то же самое старое значение после записи, сделанной P₂, память не будет когерентной.
3. Одновременно может быть только одна запись в определенное место в памяти. Если записей несколько, они должны происходить друг за другом. Другими словами, если местоположение X получило два разных значения A и B, в таком порядке, любыми двумя процессорами, процессоры никогда не смогут прочитать местоположение X как B, а затем прочитать его как A. Местоположение X должно восприниматься со значениями A и B в таком порядке.

Эти условия определены в предположении, что операции чтения и записи выполняются мгновенно. Однако в компьютерном оборудовании этого не происходит из-за задержки памяти и других аспектов архитектуры. Запись процессора X может быть не замечена чтением процессора Y, если чтение производится в течение очень малого времени после записи. Модель согласованности памяти определяет, когда записанное значение должно быть увидено следующей инструкцией чтения, выполненной другими процессорами.

Механизмы когерентности кэша

• Механизмы согласованности на основе каталогов поддерживают центральный каталог кэшированных блоков.

• Снупинг - это процесс, в ходе которого каждый кэш отслеживает адресные линии на предмет доступа к местам памяти, которые находятся в его кэше. Когда наблюдается операция записи в место, копия которого есть в кэше, контроллер кэша аннулирует собственную копию этого места памяти.

• Snarfing - это когда контроллер кэша следит за адресом и данными в попытке обновить свою собственную копию ячейки памяти, когда второй мастер изменяет ячейку в основной памяти.

Распределенные системы общей памяти имитируют эти механизмы, чтобы поддерживать согласованность между блоками памяти в слабосвязанных системах.

Два наиболее распространенных типа согласованности, которые обычно изучаются, - это Snooping и Directory-based. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Протоколы Snooping, как правило, быстрее, если имеется достаточная пропускная способность, поскольку все транзакции представляют собой запрос/ответ, который видят все процессоры. Недостатком является то, что snooping не масштабируется. Каждый запрос должен быть передан всем узлам системы. По мере роста системы размер (логической или физической) шины и обеспечиваемая ею пропускная способность должны увеличиваться. С другой стороны, каталоги имеют тенденцию к увеличению задержек (при запросе/пересылке/ответе в 3 прыжка), но используют гораздо меньшую пропускную способность, поскольку сообщения передаются от точки к точке, а не широковещательно. По этой причине во многих больших системах (>64 процессоров) используется этот тип когерентности кэша.