对称式共享存储器体系结构

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1、7.2 对称式共享存储器体系结构 多个处理器共享一个存储器。当处理器规模较小时，这种机器十分经济。支持对共享数据和私有数据的Cache缓存 私有数据供一个单独的处理器使用，而共私有数据供一个单独的处理器使用，而共 享数据供多个处理器使用。享数据供多个处理器使用。共享数据进入Cache产生了一个新的问题 CacheCache的一致性问题的一致性问题第七章 多处理机1 (1)不一致产生的原因（不一致产生的原因（CacheCache一致性问题）一致性问题）I IO O操作操作 CacheCache中的内容可能与由中的内容可能与由I IO O子系统输入输子系统输入输 出形成的存储器对应部分的内容不同。

2、出形成的存储器对应部分的内容不同。共享数据共享数据 不同处理器的不同处理器的CacheCache都保存有对应存储器单元都保存有对应存储器单元 的内容。的内容。例例两个处理器两个处理器的的读写读写 7.2.1 多处理机Cache一致性7.2 对称式共享存储器体系结构2(2)存储器的一致性（非正式定义）如果对某个数据项的任何读操作均可得到其最如果对某个数据项的任何读操作均可得到其最 新写入的值，则认为这个存储系统是一致的。新写入的值，则认为这个存储系统是一致的。q What:What:返回给读操作的是什么值返回给读操作的是什么值q When:When:什么时候才能将已写入的值返回给读操作什么时候才

3、能将已写入的值返回给读操作 需要满足以下满足条件 处理器处理器P P对对X X进行一次写之后又对进行一次写之后又对X X进行读，进行读，读和写之间没有其它处理器对读和写之间没有其它处理器对X X进行写，则进行写，则 读的返回值总是写进的值。读的返回值总是写进的值。存储系统行为的两个不同方面存储系统行为的两个不同方面7.2 对称式共享存储器体系结构3 一个处理器对一个处理器对X X进行写之后，另一处理器对进行写之后，另一处理器对X X进行进行 读，读和写之间无其它写，则读读，读和写之间无其它写，则读X X的返回值应为写的返回值应为写 进的值。进的值。对同一单元的写是顺序化的，即任意两个处理器对同

4、一单元的写是顺序化的，即任意两个处理器 对同一单元的两次写，从所有处理器看来顺序都应对同一单元的两次写，从所有处理器看来顺序都应 是相同的。是相同的。假设 直到所有的处理器均看到了写的结果，一次写操直到所有的处理器均看到了写的结果，一次写操 作才算完成；允许处理器无序读，但必须以程序规定作才算完成；允许处理器无序读，但必须以程序规定 的顺序进行写。的顺序进行写。7.2 对称式共享存储器体系结构4 在一致的多处理机中，Cache提供两种功能：共享数据的迁移共享数据的迁移 降低了对远程共享数据的访问延迟。降低了对远程共享数据的访问延迟。共享数据的复制共享数据的复制 不仅降低了访存的延迟，也减少了访

5、问共不仅降低了访存的延迟，也减少了访问共 享数据所产生的冲突。享数据所产生的冲突。小规模多处理机不是采用软件而是采用硬件技术实现Cache一致性。7.2.2 实现一致性的基本方案7.2 对称式共享存储器体系结构5(1)Cache一致性协议 对多个处理器维护一致性的协议。对多个处理器维护一致性的协议。(2)关键：跟踪记录共享数据块的状态(3)共享数据状态跟踪记录技术 q 目录目录 物理存储器中共享数据块的状态及相关信息物理存储器中共享数据块的状态及相关信息 均被保存在一个称为目录的地方。均被保存在一个称为目录的地方。q 监听（监听（snoopingsnooping）每个每个CacheCache除

6、了包含物理存储器中块的数据拷除了包含物理存储器中块的数据拷 贝之外，也保存着各个块的共享状态信息。贝之外，也保存着各个块的共享状态信息。7.2 对称式共享存储器体系结构6 CacheCache通常连在共享存储器的总线上，各个通常连在共享存储器的总线上，各个CacheCache控制器通过监听总线来判断它们是否有总线上请求的控制器通过监听总线来判断它们是否有总线上请求的数据块。数据块。q 两种更新协议 (1)写作废协议 在一个处理器写某个数据项之前保证它对该在一个处理器写某个数据项之前保证它对该 数据项有唯一的访问权。数据项有唯一的访问权。例例 ：在写回在写回CacheCache的条件下，监听总线

7、中写作废协议的实现的条件下，监听总线中写作废协议的实现。7.2 对称式共享存储器体系结构7(2)(2)写更新协议写更新协议 当一个处理器写某数据项时，通过广播使其它当一个处理器写某数据项时，通过广播使其它 Cache Cache中所有对应的该数据项拷贝进行更新。中所有对应的该数据项拷贝进行更新。例例 在写回在写回CacheCache的条件下，监听总线中写更新协议的实现。的条件下，监听总线中写更新协议的实现。处理器行为处理器行为总线行为总线行为CPUA CPUA CacheCache内容内容CPUB CPUB CacheCache内容内容主主存存X X单单元元内容内容 0 0 CPU A CPU

8、 A 读读X XCachCach失效失效 0 0 0 0 CPU B CPU B 读读X XCachCach失效失效 0 0 0 0 0 0CPUACPUA将将 X X单单元写元写1 1广广 播播 写写 X X单元单元 1 1 1 1 1 1 CPU B CPU B 读读X X 1 1 1 1 1 1 8(3)(3)写更新和写作废协议写更新和写作废协议性能上的差别性能上的差别主要来自：主要来自：q 对同一数据的多个写而中间无读操作的情况，对同一数据的多个写而中间无读操作的情况，写更新协议需进行多次写广播操作，而在写写更新协议需进行多次写广播操作，而在写 作废协议下只需一次作废操作。作废协议下只

9、需一次作废操作。q 对同一块中多个字进行写，写更新协议对每对同一块中多个字进行写，写更新协议对每 个字的写均要进行一次广播，而在写作废协个字的写均要进行一次广播，而在写作废协 议下仅在对本块第一次写时进行作废操作。议下仅在对本块第一次写时进行作废操作。q 从一个处理器写到另一个处理器读之间的延从一个处理器写到另一个处理器读之间的延 迟通常在写更新模式中较低。而在写作废协迟通常在写更新模式中较低。而在写作废协 议中，需要读一个新的拷贝。议中，需要读一个新的拷贝。7.2 对称式共享存储器体系结构9 大多数多处理机系统都采用写作废协议7.2 对称式共享存储器体系结构107.2.3 监听协议及其实现

10、基本实现技术小规模多处理机中实现写作废协议的关键 利用总线进行作废操作：把要作废的地址放到总线把要作废的地址放到总线上（一个放上（一个放，多个读）多个读）写顺序化：由总线实现写直达Cache：因为所有写的数据同时被写回主存，则从主存中总可以取到最新的数据值。对于写回Cache，得到数据的最新值会困难一些，因为最新值可能在某个Cache中，也可能在主存中。7.2 对称式共享存储器体系结构11q 增加增加CacheCache中块的标志位中块的标志位 状态：状态：无效（invalid）无副本无副本 共享（shared）至少一个副本，clean 独占（exclusive）唯一副本，dirty Cach

11、e Cache块的拥有者：块的拥有者：拥有唯一的拥有唯一的CacheCache块副本块副本 的处理器。的处理器。q 因为每次总线任务均要检查因为每次总线任务均要检查CacheCache的地址位，这的地址位，这 可能与可能与CPUCPU对对CacheCache的访问冲突。可通过下列两种的访问冲突。可通过下列两种 技术之一降低冲突：技术之一降低冲突：复制标志位复制标志位 采用多级包容采用多级包容CacheCache （许多系统采用）许多系统采用）7.2 对称式共享存储器体系结构12 监听协议举例 为简单起见，对于对共享块的 Write hit 和 Write miss 不加区分，都按 Write miss 处理写作废，写回法7.2 对称式共享存储器体系结构13141516