基于共享Cache的Cache一致性协议

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1、基于外部共享Cache的多处理机Cache一致性协议摘要：基于外部共享Cache的多处理机Cache—致性协议实现了按需求传送数据的目的，从而避免了无效数据的盲目传送，只有处理机在发生读缺失或发现数据已被其他处理机更新，与自身私有Cache数据不一致时，才通过系统总线传输数据，变被动数据更新为主动按需更新，大大减轻了系统总线的传输压力。并且本方法简单易行，协议算法容易实现，特别是将维护Cache—致性的目录表，从内存慢表变成Cache快表，减少了处理机因频繁的读缺失造成的系统开销，提高了处理机工作效率。关键词：多处理机系统；C

2、ache;共享性；一致性协议；快表1Cache的一致性问题在个人计算机中，随着单处理机性能开发到极限，多处理机系统将成为主流。然而，在多处理机系统中，Cache结构带来了新的问题：如果不同处理机中的进程需要共享某些数据，那么同一数据就可能冇多个副本分别存放在各个Cache中，当某个Cache中的数据被更新后，而其他Cache中的相同数据副木并未作相应修改，则那些处理机从私有Cache屮读取的将是“脏”数据,造成了同一数据多个版本共存的现象。这就是所谓的Cache一致性问题。引起数据不一致的原因大致有三种。①共享可写数据引起的不

3、一致。如前所述，同一数据的副木存在于多个Cache屮，当某个处理机修改了自己Cache屮的数据，而其他Cache中和同数据副本并未随Z作同样的修改，导致多个Cache中数据的不一致。另外，某个Cache中的数据被更新后，在没有写冋内存前，也会造成Cache内存的数据不一致。假如此时恰有一个处理机进程(假设该处理机的私有Cache中无修改数据的拷贝)需要此数据，读取内存数据时，就会导致数据错谋。②进程迁移引起的不一致。在多处理机系统屮，进程可以在处理机屮相互迁移。如果某个处理机屮的进程修改了私有Cache+的数据，但还没写回内存

4、前，由于某种原因需要迁移到其他处理机屮继续运行，而此时读到的将是“过时”的数据。③输入输岀操作引起的数据不一致。假设多个Cache中存在内存中同一个数据块的数据拷贝，当系统启动I/O操作时，I/O处理器(通道或DMA)就冇可能更新内存中的数据，从而导致Cache与内存的数据的不一致。2传统的解决方法及其引起的问题F1前常用的有两种解决Cache一致性问题的方法：监听总线法和口录法。监听总线法是通过总线监听机制实现Cache与内存之间的数据一致性，一般采用写无效(Write-Invalidate)和写更新(Write-Updat

5、e)两种策略。写无效策略的基本思想是当私有Cache的某个数据块更新时，同吋将其他Cache中含有该数据块的数据均置为无效。该策略中数据块的人小对Cache的性能影响很大，如果数据块太大，当某个处理机正在更新一个数据块而其他多个处理机发生阵发式“读缺失”时，就冇可能导致总线的流量人大增加，哄至出现争用总线的现象，影响系统的整体性能,Cache结构带來的好处将大打折扣；写更新策略的实现方法是当某个处理机在更新私有Cache的同时，将更新后的数据块发送给所有相关的Cache,并用新的数据覆盖原来的数据，而不管这些Cache是否会读

6、取这些数据。这种不加选择的复制造成了多余的开销，并且，当数据块较人或频繁的数据更新时将占用很t的总线时间或导致总线通信拥挤，轻者导致系统性能降低，重者造成数据丢失。另外，由于此策略采用广播更新，可能有的处理机进程不再使用该数据，这样就产生了无效通信。冃录法是将内存中每个共享数据块设置一定的冃录项，用于记录那些Cache含有该数据块的图1基于外部共享Cache的多处理机结拷贝。当某个处理机对私有Cache进行数据更新操作吋，系统根据Cache冃录的内容将所有其他存有相同内容的Cache拷贝置为无效。一般采用三种形式：全映射目录、

7、有限目录和链式目录。这三种策略只是在冃录的组织形式和采用的数据结构不同，全映射冃录因为需要映射的H录项很多，将占用人量的共享存储空间；有限目录虽然有所改进，但由于采用了固定的指针数，装入Cache的数据受到了限制；由于链式数据结构固有的杳找性能缺陷，致使链式目录在目录项很多时降低系统的性能。3基于外部共享Cache的多处理机结构基于以上分析，提出了如右图所示的Cache结构，它允许处理机有两条数据通道：一条连接私有Cache,另一条连接到外部共享Cache,就形成了一种全新的Cache—•致性方法。私侑Cache中存放供处理机

8、使用的主存数据块的副本，共享Cache存储维护Cache—■致性的记录。为了保证多处理机能够并行访问共享Cache,将其设计成多端口存储器，根据实践经验，一般端口的数目为2-4个，这根据处理机的数目而定，在紧耦合多处理机系统屮，超过4个处理机的情况很少。将按照这种方式组织起來