Spójność pamięci podręcznej

Definicja

Koherencja określa zachowanie się odczytu i zapisu do tej samej lokalizacji pamięci. Pamięci podręczne są spójne, jeśli spełnione są wszystkie poniższe warunki:

1. Kiedy procesor P odczytuje lokalizację X, po zapisie do tej lokalizacji, P musi uzyskać wartość, którą napisał, jeśli żaden inny procesor nie napisał innej wartości do tej lokalizacji. Jest to również prawdziwe dla systemów monoprocesorowych, oznacza to, że pamięć jest w stanie utrzymać wartość zapisaną.
2. Załóżmy, że są dwa procesory, P1 i _{P2, a} P1 napisał wartość X1, a następnie _P2 napisał wartość X2, jeśli P1 czyta wartość, musi uzyskać wartość napisaną przez _P2, X2, a nie wartość, którą napisał, X1, jeśli nie ma innych zapisów między nimi. Oznacza to, że widok pamięci jest spójny. Jeśli procesory mogą odczytać tę samą starą wartość po zapisie wykonanym przez _P2, pamięć nie byłaby spójna.
3. W danym momencie może być tylko jeden zapis do określonej lokalizacji w pamięci. Jeśli istnieje kilka zapisów, muszą one wystąpić jeden po drugim. Innymi słowy, jeśli lokalizacja X otrzymała dwie różne wartości A i B, w tej kolejności, przez dowolne dwa procesory, procesory nigdy nie mogą odczytać lokalizacji X jako B, a następnie odczytać jej jako A. Lokalizacja X musi być widziana z wartościami A i B w tej kolejności.

Warunki te są zdefiniowane przy założeniu, że operacje odczytu i zapisu są wykonywane natychmiastowo. W sprzęcie komputerowym tak się jednak nie dzieje z powodu opóźnienia pamięci i innych aspektów architektury. Zapis dokonany przez procesor X może nie zostać zauważony przez odczyt z procesora Y, jeśli odczyt zostanie dokonany w bardzo krótkim czasie po dokonaniu zapisu. Model spójności pamięci definiuje, kiedy zapisana wartość musi być widziana przez następującą po niej instrukcję odczytu wykonaną przez inne procesory.

Mechanizmy spójności pamięci podręcznej

• Mechanizmy spójności oparte na katalogach utrzymują centralny katalog zbuforowanych bloków.

• Snooping jest procesem, w którym każdy cache monitoruje linie adresowe pod kątem dostępu do lokalizacji pamięci, które znajdują się w jego cache. Kiedy obserwowana jest operacja zapisu do lokalizacji, której kopię posiada cache, kontroler cache unieważnia swoją własną kopię snoopingowanej lokalizacji pamięci.

• Snarfing to sytuacja, w której kontroler pamięci podręcznej obserwuje zarówno adres, jak i dane, próbując zaktualizować swoją własną kopię lokalizacji pamięci, gdy drugi master modyfikuje lokalizację w pamięci głównej.

Rozproszone systemy pamięci współdzielonej naśladują te mechanizmy, dzięki czemu mogą utrzymywać spójność między blokami pamięci w luźno powiązanych systemach.

Dwa najczęściej spotykane typy spójności, które są zazwyczaj badane to Snooping i Directory-based. Każdy z nich ma swoje zalety i wady. Protokoły Snooping są szybsze, jeśli dostępna jest wystarczająca przepustowość, ponieważ wszystkie transakcje są żądaniem/odpowiedzią widzianą przez wszystkie procesory. Wadą jest to, że snooping nie jest skalowalny. Każde żądanie musi być rozesłane do wszystkich węzłów w systemie. W miarę jak system staje się coraz większy, rozmiar (logicznej lub fizycznej) magistrali i przepustowość, którą zapewnia, muszą rosnąć. Katalogi, z drugiej strony, mają tendencję do dłuższych opóźnień (z 3 hop request/forward/respond), ale zużywają znacznie mniej pasma, ponieważ wiadomości są punkt do punktu, a nie rozgłaszane. Z tego powodu wiele większych systemów (>64 procesorów) używa tego typu koherencji cache.