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1、多核、多处理机体系结构中的Cache 一致性,1.1 Cache Coherence问题1.1.1 Cache Coherence的提出1.1.2 多个Cache不一致的原因1.1.3 两种设计Cache一致性协议策略1.2 监听总线协议1.3 基于目录的Cache一致性协议1.4 三种Cache一致性策略,1.1 Cache Coherence问题,1.1.1 Cache Coherence问题的提出 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：,Memory,Cache,core,Cache,core,Cache,core,这几个copy应该一致,1.1.2
2、多个Cache不一致的原因 1.共享可写数据的不一致性（sharing of writable data）,core1,core2,更新前,x,x,x,核,Cache,sharedmemory,core1,core2,写通过,x,x,x,core1,core2,写回,x,x,x,2.进程迁移的不一致性,core1,core2,迁移前,x,x,核,Cache,core1,core2,写通过,x,x,x,core1,core2,写回,x,x,x,上图中：右图为：包含共享变量x的进程原来在core1上运行，并对x进行了修改（但采取写回策略，所以暂时没有修改Memory），由于某种原因迁移到core2
3、，修改过的x仍在core1的Cache中，core2运行时从Memory中得到x，这个x其实是“过时”的，所以造成了不一致。中间图为：core2中运行的进程对x进行了修改，采取写通过策略，所以把Memory中的x也修改为x，由于某种原因该进程迁移到core1，但core1的Cache中仍为x，所以造成不一致。,3.I/O操作（绕过Cache的I/O操作）,core1,core2,x,x,存储器,core1,core2,写通过,x,x,core1,core2,写回,x,x,x,x,x,x,x,I/O,存储器,输入,存储器,输出,c1,c2,总线,上图中：中间图为：当I/O处理机将一个新的数据x写
4、入主存储器时，绕过采用写通过策略的cache，则C1和共享存储器之间产生了不一致。右图为：直接从主存储器输出数据时（绕过Cache），与采用写回策略的高速缓存产生不一致性。,1.1.3 两种设计Cache一致性协议策略 1.写无效（write invalidate）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（write update
5、）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-through，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。,3.示意图 下图表示数据块x在共享存储器和三个核的Cache中的副本一致的情形。,x,共享存储器,Cache,P1,x,P2,x,x,P3,总线,核,下图表示core1进行写无效操作后的情形。写通过：,x,I表示无效,core1,I,core2,x,I,core3,写回：,x,I表示无效,core1,I,core2,I,I,core3,下图表示core1进行写更新操作后的情形（写通过
6、）。,x,I表示无效,core1,x,core2,x,x,core3,4.写无效的问题主要开销在两个方面：（1）作废各Cache副本的开销；（2）由作废引起缺失造成的开销，即处理机需要访问已经作废的数据时将引起Cache的缺失。,后果：如果一个Core经常对某个块连续写，且Core间对共享块的竞争较小，这时写无效策略维护一致性的开销是很小的。如发生严重竞争，即Core之间对某个地址的共享数据竞争，将产生较多的作废，引起更多的作废缺失。结果是共享数据在各Cache间倒来倒去，产生颠簸现象，当缓存块比较大时，这种颠簸现象更为严重。,5.写更新的问题 由于更新时，所有的副本均需要更新，开销很大。,1
7、.1 Cache Coherence问题1.2 监听总线协议1.2.1 写一次协议1.3 基于目录的Cache一致性协议1.4 三种Cache一致性策略,1.2 监听总线协议(Snoopy protocol),通过总线监听机制实现Cache和共享存储器之间的一致性。适用性分析：适用于具有广播能力的总线结构多Core系统，允许每个Core监听其它Core的存储器访问情况。只适用于小规模的多Core系统。,1.2.1 写一次(write-once)协议 写无效监听一致性协议，将写通过和写回策略结合。为了减少总线流量，高速缓存块的第一次写用写通过方法，产生一份正确的主存储器副本，并使其它的Cache
8、中的副本无效，之后就采用写回方法更新Cache与主存储器。,1.一致性协议的内容 一致性协议包括：（1）Cache可能出现的状态集合（2）共享主存的状态（3）为维护一致性而引起的状态转换。,2.每份Cache中的副本可能出现的四种状态（1）有效（valid state）：与主存储器副本一致的Cache副本，即该副本未经修改，所以这个Cache副本不是唯一的副本。（2）保留（reserved state）：这一Cache副本是第一次修改，并用写通过方法写入主存，所以这一Cache副本和主存储器副本一致。,（3）重写（dirty state）：Cache副本不止一次被修改过，由于不再采用写通过方法
9、，所以这个Cache副本是唯一的副本。与存储器和其它的Cache副本都不一致。主存储器中的副本也是无效的。（4）无效（invalid state）与存储器或其它的Cache副本不一致，或在Cache中找不到。,3.局部命令（Local commands）（1）P-Read：本地处理机读自己的Cache副本。（2）P-Write：本地处理机写自己的Cache副本。,4.一致性命令（1）Read-blk：从另一Cache读一份有效的副本。（2）Write-inv：在写命中时在总线上广播一个无效命令。（3）Read-inv：在写缺失时在总线上广播一个无效命令。,5.Write-Once一致性协议状态
10、转移表,必是局部进行，不影响有效状态,第一次写命中，用写通过法。同时修,改本地和主存副本并广播Write-inv使所有副本失效,command,currentstate,nextstate,status,P-Read,有效,有效,Read-hit,P-Write,有效,保留,Write-hit,action,第二次写命中，用写回法。但不修改,主存的副本,P-Write,保留,重写,Write-hit,写缺失时，则从主存或远程Cache送来副本,。并广播Read-inv使所有其它副本无效。,command,currentstate,nextstate,status,P-Write,无效,保留,W
11、rite-miss,action,（续表）,第二次以后更多的写命中，用写回法。,无状态改变。,P-Write,重写,重写,Write-hit,command,currentstate,nextstate,status,action,（续表）,读缺失时,如远程Cache中没有重写副本，则主,存中一定有一份正确的副本，供给发请求的Cache。如远程的Cache有重写的副本，则它禁止主存操作，并将副本发给请求的Cache，两种情况均使发请求的Cache得到的副本为有效。,P-Read,无效,有效,Read-miss,远程Cache读此副本，读后两份副本均有效,Read-blk,保留或重写,有效,co
12、mmand,currentstate,nextstate,status,action,（续表）,写缺失时，远程Cache读一个块，并修改它，并使所有其它Cache的副本无效。,Read-inv,除无效外的其它状态,无效,写命中时，一远程Cache修改其本地副本，并使数据块的其它副本无效,Write-inv,有效,无效,command,currentstate,nextstate,status,action,（续表）,如果副本处于重写状态，必须通过块替换写回主存，否则不产生替换操作,Write-inv,有效,无效,替代,6.一个具体的例子如下图的系统：,Memory,C1,Core1,C2,Co
13、re2,C3,Core3,读的情况：（1）如果C1为Valid，读C1，则Read hit，状态不变。（2）如果C1为Reserved，读C1，则Read hit，状态不变。（3）如果C1为Dirty，读C1，则Read hit，状态不变。（4）如果C1为Invalid，C2和C3没有东西，则读C1时Read miss，这时只有memory中有正确的副本，把它取到C1，C1改为Valid（P-Read负责实现状态的改变）。,（5）如果C1为Invalid，C2为Dirty，则读C1时Read miss，这时只有C2中的内容是正确的，要发Read-blk信号把副本从C2读到C1，同时修改memo
14、ry，把C1，C2都改为Valid（程序状态转移图中P-Read(2)使C1Valid，Read-blk(3)使C2 Valid）。（6）如果C1为Invalid，C2为Reserved，则读C1时Read miss，这时发Read-blk信号把 C2C1，C1，C2都改为Valid，其中Read-blk(3)负责把C2由ReservedValid，P-Read(2)负责把C1由InvalidValid。,写的情况：（1）如果C1为Valid，写C1，则Write hit，发P-write修改C1内容，修改memory，发Write-inv(4)给所有Cache，C1变成Reserved状态。
15、（2）如果C1为Reserved，写C1，则Write hit，发P-write修改C1内容，不修改memory，C1状态变为Dirty。（3）如果C1为Dirty，写C1，则Write hit，发P-write修改C1内容，不修改memory，状态仍为Dirty。,（4）如果C1为Invalid，C2，C3没有东西，这时memory中有这个地址的数据副本，从memory中读取该副本到C1，再把要写的内容写入C1，这时C1和memory内容不一致，把C1的状态变为Dirty。（5）如果C1为Invalid，C2为Dirty，这时memory中内容和C2中的内容不一致，把 C2C1，再把要写的内
16、容写入C1，C1Dirty，发Read-inv使其它所有Cache的副本变成无效状态。,（6）如果C1为Invalid，C2为Reserved，这时memory中的内容和C2内容一致，把C2C1，再把要写的内容写入C1，这时C1与memory内容不一致，使C1Dirty，发Read-inv使其它所有Cache的副本变成无效状态。,C1的三种状态的图示:,x,x,core1,x,core2,x,core3,C1,C2,C3,memory,valid,C1中的副本和memory中一致,x,x,core1,I,core2,I,core3,C1,C2,C3,memory,Reserved,Invali
17、d,C1中的副本和memory中一致，都正确,x,x,core1,I,core2,I,core3,C1,C2,C3,memory,Dirty,Invalid,C1中的副本和memory不一致，只有C1中的副本正确,7.其它的一些问题 Core要向Cache写数据，如果write miss，表示该数据块不在Cache中或者该数据块处于无效状态，那么需要把正确的数据从memory或其它的Cache中取过来，然后再写操作。,为什么不能直接写？（1）可能该数据块根本不在Cache中，所以需要从其它地方调入。（2）已在Cache中，但数据不正确，这时如果直接写入数据，整个数据块可能还是不正确的。例如，数
18、据不正确的原因是100号单元数据已修改，如果要写入一个数据到101单元，这时不能直接写，否则100号单元还是错的。,Cache Coherence问题概要：多核或多处理机系统共享存储器Cache块的状态访问的数据是最新的，不是“过时”的内容,1.1 Cache Coherence问题1.2 监听总线协议1.3 基于目录的Cache一致性协议1.3.1 目录的一般性问题1.3.2 全映射目录1.3.3 有限目录1.3.4 链式目录1.4 三种Cache一致性策略,1.3 基于目录的Cache一致性协议,1.3.1 目录的一般性问题 1.Cache一致性协议的开销分析（1）采用写无效协议无效后，当
19、其它Core再读该副本时，出现Read miss，要有开销（2）采用写更新协议需要更新所有Cache和memory中的副本，所以开销大，有些Core对更新后的数据可能不会使用。,2.基于目录的一致性协议的基本思想 当Core个数增加时，一般不用总线结构，而采用多级互连网络。多级互连网络实现广播功能代价很大。为什么需要广播功能？把一致性命令，如Write-inv，Read-inv等命令要发送给所有的Cache。能不能只发送给存放该副本的Cache?基于目录的协议的基本思想,3.目录的结构（1）目录里放什么有关Cache副本驻留在哪里的信息：所有共享数据块的所有Cache副本的地址表。（2）每个目
20、录项（每个数据结构）包含若干个指向这个块（每个数据块有个目录项）的Cache副本地址的指针以及一个重写位（用来说明是否有一个Cache允许把有关的数据写入）。,（3）基于目录的Cache一致性协议是依靠一个目录来记录系统之中哪些处理机的Cache中有指定存储块的副本。当一台处理机希望写某个共享块时，通过目录向有该块的副本的那些处理机“点对点”的发无效信号，使所有其它的副本无效。,4.目录的方式（1）集中目录方式（中心目录）1976年Tang提出。用一个中心目录存放所有Cache目录的副本，它能提供为保证一致性所需要的所有信息。缺点：容量非常大，必须采用联想方法来检查，冲突多，检索时间长。,（2
21、）分布式目录1978年Censier和Feautrier提出。每个存储模块维护各自的目录，目录中记录着每个存储块的当前信息。当前信息指明哪些Cache有该存储块的副本。如下面的图：,D1,M1,D2,M2,Dm,Mm,D1,M1,D2,M2,Dm,Mm,互连网络,如果C2读miss，这时C1中有Dirty的副本，则把它写回memory，内存再给C2一个副本，变成Valid。如果C1写命中，它告诉memory控制器，控制器发无效命令给在D1的当前向量中有记录的所有Cache。,5.三种目录 全映射（full map）目录：存放与全局存储器中每个块有关的数据。系统中的每个Cache可以同时存储任何
22、数据块的副本，即每个目录项包含N个指针（N是Core数目）。有限（limited）目录：每个目录项有固定数目的指针（小于N）。链式（chained）目录：将目录分布到各个Cache（其余同全映射目录）。,6.2.2 全映射目录 1.目录项结构 目录项中有N个Core位（对应N台Core）和一个重写位，如下图所示：,目录项：,重写位（1位）,Core位（N位）,Core位表示相应Core的Cache block的状态（存在或不存在）。有一个也只有一个Core位为“1”，那么该Core可以对该块进行写操作。,Cache的每个块有两个状态位：有效位有效块是否允许写,有效,1位,Cache的状态位应该
23、和目录项的状态一致。,1位,允许写,目录项：,重写位（1位）,Core位（N位）,Cache状态位：,2.目录的三种情况我们来看三个Core（三个Cache）的例子。（1）C1，C2，C3都没有单元X的副本,Shared Memory,x:,c,0,0,0,data,C1,Core1,C2,Core2,C3,Core3,（2）C1，C2，C3同时请求X单元的副本，这时目录项中的三个指针（Core位）被置一，表示这些Cache中已有数据副本。目录项的重写位被置为未写（c）状态，表示无一Core允许写入该数据块。,Shared Memory,x:,c,1,1,1,data,x:,Core1,x:,
24、Core2,x:,Core3,C1,C2,C3,（3）C3请求对该块的写允许权时出现第（3）种情形，重写被置成D状态，且有一个指针指向C3的数据块。,Shared Memory,x:,D,0,0,1,data,Core1,Core2,x:,Core3,C1,C2,C3,data,3.第二种情况第三种情况的过程 P3向C3发出写请求时：（1）C3检测出包含单元X的块是有效的，但Cache中的块允许位状态表示不允许Core对该块进行写操作。（2）C3向包含单元X的存储器模块发出写请求，并暂停P3工作。（3）该存储器模块发出一个无效请求给C1和C2（根据目录项的内容发几个无效信号）,（4）C1和C2
25、收到无效请求后，把相应位置1，表示含单元X的块已无效，并发送一个回答信号给请求的存储器模块。（5）存储器模块收到回答信号后，将重写位置1，清除指向C1、C2的指针，发出允许信号给C3。（6）C3收到写允许信号后，修改Cache的状态并激活Core3。,4.目录所占空间 假设存储器大小和Core个数N成正比，即个数增加时，存储器的模块数也增加，所以数据块的个数也和N成正比。另外目录项的大小也和Core数N成正比，所以目录的总所占空间和N2成正比。即：目录项数*项大小=O(N2)太大不便于扩展。,1.2.3 有限目录 解决目录过大的问题。任意一个数据块在Cache中同时存在的副本数量有一定限制，那
26、么目录大小的增加不会超过一个常数。,符号表示法：DiriX i:指针的数量。X是NB，表示没有广播功能的方案。DirNNB表示没有广播功能的全映射方式 DiriNB（i N）：使用i个指针的没有广播功能的有限目录协议方式。除了多于i个Cache请求读一个特定的数据块的情况外，有限目录协议与全映射协议类似。,有限目录中指针不是每个Core一位，而是针对Core的二进制标识符进行编码，所以指针占log2N位存储器。在全映射方式中，每个Core对应一个指针，所以N个Core一共用了N位，而有限目录中只用log2N位，设N=16，则log216=4。如果允许两个指针，则需要8位。所以目录的存储容量为O
27、（Nlog2N），比全映射容易扩充。,如果多Core系统中的Core具有局部性，即在任何给定的时间间隔内，只有一小部分Core访问某个给定的存储器字，那么有限目录足以应付这个小的工作Core组了。,1.2.4 链式目录 用目录指针链来跟踪共享数据副本。两种方法，单链法与双链法。数据块共享副本的数目并无限制。所占的空间及可扩展性同有限目录。它的工作原理如下过程所示。,（1）P1要读单元X，则memory发送一份副本给C1，同时送给C1一个链结束指针（CT：Chain Termination），存储器也保存指向C1的指针。,Shared Memory,x:,c,data,Core1,Core2,C
28、ore3,C1,C2,C3,x:,CT,data,（2）当P2要读单元X时，存储器送一份副本给C2，同时送给C2一个指向C1的指针，存储器保存指向C2的指针。,Shared Memory,x:,c,data,Core1,Core2,Core3,C1,C2,C3,x:,CT,data,x:,data,（3）重复以上步骤，所有Cache都得到单元X的副本。（4）如果Core3要对单元X进行写操作，它必须沿着链发送一个数据无效信息。为了保证顺序一致性，在有链结束指针的Core回答无效信号之前，存储器模块不给Core3写允许权。无效命令从一个Cache到一个Cache顺序进行，不象snoopy协议那样
29、同时发送给所有Cache。,（5）替换。假设C1到CN都有单元X的副本，还假设单元X和单元Y都映射到同一个高速缓存块（直接映射法）。如果Corei要读单元Y，它首先必须把X所在的块从Cache中去掉，这可以采用两种方法：1）沿着链发一个消息使Ci+1的指针指向Ci-1，这样使Ci从链中去掉（这时Ci中存放Y了）。2）使Ci+1到CN中的单元X无效（这时Ci中存放Y了）。,目录占用的存储容量：指针的尺寸以Core数目的对数关系增长（这和有限目录相同）log2N，每个Cache块的指针数目与Core个数无关。,解决Cache一致性的其它办法：（1）不允许有私有 Cache：Shared Cache
30、方案（2）可写的共享数据不存放在Cache中,1.1 Cache Coherence问题1.2 监听总线协议1.3 基于目录的Cache一致性协议1.4 三种Cache一致性策略 1.4.1 采用Write-Through策略的Cache 1.4.2 采用Write-Back策略的Cache 1.4.3 采用Write-Once策略的Cache,1.4 三种Cache一致性策略,1.4.1 采用Write-Through策略的Cache 数据块的两种状态：有效和无效（指本地Core相应数据块的状态，并非整个Cache的状态。)一致性的四种操作：Rr和Wr：其它Core对该数据块（指在其它Cor
31、eCache中的数据块）的读写 Rl和Wl：是本地Core对该数据块的读写状态转移图如下：,有效,无效,Rr,Wl,Rl,Rl,Wl,Wr,Rr,Wr,Cache的数据块为无效时：其它Core的任何操作都不会影响本地Cache的这种无效状态；只有在本地Core读或者写了数据块中的某个数据，即对Cache执行了Read或Write命令时，该数据块的状态才会成为“有效”。,Cache的数据块为“有效”时：本地Core的读、写操作，不会影响该状态；其它Core对存有相同内容的数据块读，不会影响该状态；其它Core对存有相同内容的数据块执行了写操作，该数据块状态变成无效。,1.4.2 采用Write-
32、Back策略的Cache 1.数据块的三种状态 RO(只读）状态：表示整个系统中不止一个副本正确（例如一个在Cache中，一个在memory中）。读-写状态：表示整个系统中，只有这个副本是正确的，其它都“过时”（即无效），这说明这个 Cache的数据块至少被写过一次，但memory中的内容还没有被修改。无效状态：“过时”数据。,2.一致性的四种操作：Rr和Wr：其它Core对该数据块（指在其它Core的Cache中的数据块）的读写 Rl和Wl：是本地Core对该数据块的读写状态转移图如下：,3.处于RO状态 本地读，远程读不会改变状态 本地写，使ROR-W（这时只有一个数据块正确）远程写，使R
33、O无效,无效,RO,Wl,Wr,Rl,Rr,W-R,4.处于读-写状态,无效,RO,Rr,Wr,Rl,Wl,W-R,本地读、写不会改变状态 远程读：这时只有这个 Cache的数据块是正确的，所以要有“写回”动作（即把内容写回Memory），另外还需要把正确的数据传递给远程读的Core相应的Cache。两个Cache的状态RO 远程写：把本地Core的数据块传递给远程Core，远程Core对数据块进行写操作，远程Core对应的Cache状态变为RO，而本地的Cache变为无效状态。,5.处于无效状态,无效,RO,Wl,Rr,Wr,W-R,Rl,本地读：无效RO 本地写：无效WR（同时使其它拥有相
34、同内容的数据块的Cache中相应的数据块的状态变成无效）远程写、远程读：不影响状态的改变,1.4.3 采用Write-Once策略的Cache 1.Write-Through和Write-Back的缺点 Write-Through策略的弱点是每次都要修改memory，所以总线流量增大；Write-Back策略的弱点是Cache写了一次后，Memory中的内容不一致。,2.Write-Once的基本思想 把Write-Through和Write-Back两者的优点结合在一起：减少总线流量。Cache的第一次写采用Write-Through策略（有一个以上的副本正确）；Cache而后的写采用Wri
35、te-Back策略（只有一份副本正确）。为了区分是否是第一次写，把“读-写”状态分成两个状态：Reserved和Drity。,3.数据块的四种状态 有效状态（Valid）：相当于Write-Back里的“只读”，从共享存储器中读入的并与存储器副本一致的Cache数据块。无效状态（Invalid）：在Cache中找不到或Cache中的数据块内容与共享存储器中的内容不一致的Cache数据块。,保留状态（Reserved）：数据从共享存储器读入Cache只被写过一次。Cache中的副本与共享存储器中的副本是一致的，并且它是正确的副本。重写状态（Dirty）：Cache中的数据块不止一次被写过，此时共
36、享存储器中的数据块也不是正确的数据块，唯一正确的数据块在Cache中。,4.如果处于“有效”状态,有效,保留,Wr,Rl,Rr,无效,Wl,重写,（1）本地读Rl，不影响状态。（2）本地写Wl（第一次写），采用Write-Through策略，这时要发无效命令给其它Cache中相应的副本，并修改memory。有效保留（3）远程写Wr（不管是第几次写），远程CPU会发无效命令：有效无效（4）远程读Rr：不影响状态。,5.如果处于“保留”状态,有效,保留,Wr,Rl,无效,Rr,重写,Wl,（1）本地读Rl，不影响状态。（2）远程读Rr：这时Cache中只有处于保留状态的数据块是正确的，所以把该数据
37、块送到远程Core的Cache中（远程Cache中该数据块变为有效），本数据块状态已变为有效。（3）本地写Wl：第二次及以后的写，采取Write-Back策略，不修改Memory，状态由Reserved变为Dirty（这时只有一个副本有效），发无效命令给其它Cache的对应的副本，使Memory中的副本也无效。（4）远程写Wr：远程Core会发无效命令，使状态由Reserved变为Invalid。,6.如果处于“重写”状态,有效,保留,Wr,Rr,无效,Rl，Wl,重写,（1）本地读Rl：不影响状态。（2）本地写Wl：不影响状态。（3）远程读Rr：这时只有这个Cache的数据块是正确的，所以把
38、该数据块发送给远程的Cache，远程Cache的数据块和本Cache中的数据块都变得有效。（4）远程写Wr：远程Core写后，发无效命令使状态由重写无效。,7.如果处于“无效”状态,有效,保留,Rl,Wr,Rr,无效,Wl,重写,（1）本地读Rl：这时产生Read-Miss，设法找到有效的数据块调入Cache：如果系统存在处于有效，保留或重写状态的相应数据块，则将其调入本地Cache 如果系统中不存在处于有效、保留或重写状态的相应数据块，则说明共享存储器中的数据块是正确的，直接从共享存储器读入即可。读入后相应数据块进入“有效”状态。,（2）远程读Rr：状态不变（3）本地写Wl：一定是Write-Miss，系统首先把正确的内容调入Cache，然后写Cache，因为是第一次写，所以Write-Through策略，同时写memory，将本地Cache状态置为“保留”，同时将系统中其它相应的数据块置为“无效”（4）远程写Wr：状态不变,
