多核处理器cache一致性技术综述

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1、多核处理器cache一致性技术综述摘要：本文介绍了实现多核处理器cache一致性的基本实现技术，并分析了其存在的问题。根据存在的问题，介绍了几种最新的解决方案。关键词：cache一致性监听协议目录协议性能能耗1基本实现技术：实现cache一致性的关键在于跟踪所有共享数据块的状态。目前广泛采用的有以下2种协议，它们分别使用不同的技术跟踪共享数据：1.监听协议(Snooping)处理器在私有的缓存中保存共享数据的复本。同时处理器对总线进行监听，如果总线上的请求与自己相关，则进行处理，否则忽略总线请求信号。2.目录式(Directorybased)使用目录来存放各节点cache中共享数据的信息，把

2、cache一致性请求只发给存放有相应数据块的节点，从而支持cache的一致性。下面分别就监听协议和目录协议做简单的介绍：1.1监听协议监听协议通过总线监听机制实现cache和共享内存之间的数据一致性。因为其可以通过内存的总线来查询cache的状态。所以监听协议是目前多核处理器主要采用的一致性技术。监听协议有两种。一种称为写无效协议(writeinvalidateprotocol)，它在处理器写数据块之前通过总线广播使其它该数据的共享复本(主要存储在其它处理器的私有缓存中)变为无效，以保证该处理器能独占访问数据块，实现一致性。另一种称为写更新(writeupdate)，它在处理器写入数据块时更

3、新该数据块所有的副本。因为在基于总线的多核处理器中总线和内存带宽是最紧张的资源，而写无效协议不会给总线和内存带来太大的压力，所以目前处理器实现主要都是应用写无效协议。读请求：如果处理器在私有缓存中找到数据块，则读取数据块。如果没有找到数据块，它向总线广播读缺失请求。其它处理器监听到读缺失请求，则检查对应地址数据块状态：无效状态下，向总线发读缺失，总线向内存请求数据块；共享状态下，直接把数据发送给请求处理器；独占状态下，远端处理器节点把数据回写，状态改为共享，并将数据块发送给请求处理器。在请求处理器收到数据后将该数据块的缓存状态改为共享。写请求：如果处理器在私有缓存中检查数据地址对应的数据块，

4、检查其状态：独占状态下，直接写数据；无效状态下，向总线发出写缺失请求，并将缓存改为独占状态，写数据块；共享状态下，向总线发出写缺失请求，共享该数据块的处理器监听到写缺失后，将其缓存状态改为无效，请求处理器将其缓存状态改为独占，写数据。在独占状态下，如果由于cache组映射而导致，不同数据块映射在cache中同一位置时，在写请求下要求先把数据回写到内存，再对缓存进行数据写。处理器的活动后，cache的状态变化总线的活动后，cache的状态变化1.2目录协议在多核处理器系统中，每个节点上用目录来实现cache的一致性。每个目录负责跟踪各个核缓存的数据块。缓存的数据块有3种状态：共享(shared

5、)，未缓冲(uncached)和独占(exclusive)。目录记录每个核缓存数据的共享状态。目录协议是面向消息的，所有请求必须应答。发送到目录的消息引发两种不同类型的动作：更新目录状态，发送请求的消息数据。目录协议的操作基本上和监听协议的相同；不同的是，在监听协议中，写缺失操作是通过在总线上广播实现的，而目录协议中通过目录控制器发送取数据和无效消息实现。目录协议中定义三种节点：本地节点(localnode)，指产生访问请求的节点；家节点(homenode)，指该节点拥有要访问地址的存储器单元和目录项(即要访问的数据的家)；远程节点(remotenode)，指拥有要访问数据拷贝的节点。1.2

6、.1考虑读缺失情况：l本地节点请求读一个数据块，先在其私有的缓存中查找，如果找到，则完成数据请求，没有任何状态变化。如果私有缓存中没有所需数据块，则向该数据块的家节点发送一个请求。l家节点收到请求后，检查数据块的缓存状态：未缓存状态，向内存请求数据，并将数据送回本地节点；共享状态，向本地节点送回所需数据，并将其加入共享者集；独占状态，如果发现数据是被独占的，则向远程节点发送取数据请求，并把远程节点加入共享集，待接收到远程节点返回的数据后，将数据发送给本地节点，并将本地节点加入共享集。l远程节点到取数据的请求后，将数据回写到家节点。1.2.2考虑写缺失的情况：l本地节点请求写一个数据块，向家节

7、点发写请求以获得所有权。l家节点检查所请求数据块的状态：未缓存状态，则向本地节点发送数据，并设其为共享者，把数据缓存的状态改为独占；共享状态，向所有共享该数据块的节点发无效信息，向本地节点传送数据，把数据缓存的状态改为独占；独占状态，如果是新的独占请求，则向远端节点(即原独占的节点)发送数据写回消息，远端节点向家节点返回最新的数据，然后家节点将数据发送给本地节点，并将数据缓存状态改为本地节点独占。l远端节点收