[工学]高等计算机体系结构第6章

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1、第六章共享存储的多处理器1第一节共享存储的一致性一、共享存储结构与一致性1、共享存储层次结构P1Pn交换机…交叉的高速缓存交叉的主存(a)共享缓存(b)集中式共享存储器P1…存储器CPnC存储器互连网络P1…存储器C(c)分布式共享存储器互连网络Pn存储器C共享缓存集中共享分布共享处理机数≤8≤30≤1000限制交换机的延迟结点间间距和延迟数据局部性目标：减少平均数据访问时间，减少通信带宽。22、一致性问题包括Cache一致性、存储一致性两部分。（1）Cache一致性指私有Cache中共享数据的副本和共享存储器中共享数据之间

2、的一致性。特征：多处理器对相同存储单元的操作引起的一致性。②③u:7④u:?⑤u:?P1Cu:5u:5主存P2Cu:5P3Cu:5①3（2）存储一致性指多个处理器程序的执行次序与共享存储器中共享数据存取次序之间的一致性。特征：不同处理器对不同存储单元的操作引起的一致性。a.A:=1b.printB,Cc.B:=1d.printA,Ce.C:=1f.printA,BA、B、C为共享变量(初始状态均为0)处理器1处理器2处理器3共享存储器思考：如何使存取次序的结果与执行次序的结果相同？4（3）存储系统的一致性将对任何存储单元的操

3、作排成一个全序，此序列与执行结果一致，并且序列具有下列性质时，称存储系统是一致的：1）任何进程发出的操作所表现出来的序和该进程向存储系统发出的序相同；2）每个读操作返回的值是对相应单元的读操作前按串行顺序写入的最后的一个值。一致性隐含性质：写传播—写操作的效果对其他进程可见；写串行化—所有进程以相同的顺序看到对某单元的所有写操作。思考：为什么读不需要传播？53、原子性操作具有下列全部性质的操作称为原子操作：原子性：一个事务操作具有不可分和有限时间完成两个特性；一致性：一个事务总是将程序由一个一致性状态转换成另一个一致性状态；

4、隔离性：在一个事务完成前，该事务操作的效果不会对其他事务产生影响；持续性：一旦事务完成，当系统失效时，事务操作的效果仍会持续。6写操作串行化与写操作原子性：写操作串行化：是针对相同单元写操作的偏序。P0：P1：RRW1W2W1W1W2R2R3写操作原子性：是针对所有单元写操作的全序。P0：P1：RRW1W2W1W1W2R2R3写操作原子性扩充了写操作串行化。7二、Cache一致性1、Cache更新主存方法写直达法：处理器写Cache时，同时写主存；写回法：等到某Cache块被替换时，才写主存。2、不一致性原因不同处理器对相同

5、单元在各自Cache的拷贝的异步写操作；多处理器中的进程迁移，而又不互相通报；绕过Cache拷贝拥有者的I/O操作。3、Cache一致性解决方法前两种原因：监听法（基于处理器间总线互连时）、目录法（基于处理器间总线或网络互连时）。第三种原因：禁止法、刷新法。84、总线监听一致性协议思路：利用总线监听一致性定义中的写传播信息实现。总线事务：由仲裁、命令/地址、数据三个阶段组成，总线事务应具有顺序性和原子性。块状态：指示数据块的特征（无效、脏、共享、独占）。监听协议：控制Cache块状态变化的策略，是一种分布式算法，可用状态转换

6、图表示。策略：基于作废、基于更新。5、目录一致性协议思路：在每个共享存储器上建立一个目录，记录使用该数据的所有处理器信息和数据状态信息，处理器可根据这些信息实现各Cache的一致性。96、I/O操作与Cache的一致性禁止方法：存储空间中的某些段不允许进入Cache。刷新方法：操作系统在I/O操作前，将有关的段先从Cache刷新过来，然后再进行I/O操作。10三、存储一致性1、顺序一致性（SC）定义：满足下列特性的多处理机系统是顺序一致的：所有的执行结果都和所有处理器按某一顺序序列执行的结果一致；并且在该顺序序列中各处理器的

7、执行次序和它的程序次序一致。保证顺序一致性的充分条件：每个进程按照程序的执行次序发出存储操作；完成写操作前，进程等待在此之前所有全局的写操作的完成；完成读操作前，进程等待在此之前所有全局的读操作和写操作的完成。11顺序一致性的特征：某PE取操作的结果为其他PE对该单元最新存操作的结果；存储次序与全部操作对的二元次序相一致；在一个特定程序次序中出现的两个操作，一定出现在同一存储次序中；对其他存操作而言，交换操作是原子操作；所有存和交换操作必须完整地结束。P0：RRW1W1W2P1：W2W1R2SSR3R2顺序一致性对串行程序的

8、影响：编译器的各种优化编译技术要保证不改变存储操作次序；系统结构的优化要保证不改变存储操作次序。122、弱一致性（WC）定义：满足下列条件的多处理机系统是弱一致的：在允许其他任何处理器的读写访问前，必须先完成所有的同步访问；在允许其他任何处理器的同步访问前，必须先完成所有的读写访问；各同步