文档介绍：基于外部共享Cache的多处理机Cache一致性协议
刘广忠
(河北工程技术高等专科学校成教处,河北沧州061001)
摘要:基于外部共享Cache的多处理机Cache一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一致性的目录表,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; Cache; 共享性; 一致性协议; 快表
中图法分类号:TP302 文献表示码:A
1 Cache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有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中的相同数据副本并未作相应修改,则那些处理机从私有Cache中读取的将是“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一致。如前所述,同一数据的副本存在于多个Cache中,当某个处理机修改了自己Cache中的数据,而其他Cache中相同数据副本并未随之作同样的修改,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,在没有写回内存前,也会造成Cache与内存的数据不一致。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,就会导致数据错误。②进程迁移引起的不一致。在多处理机系统中,进程可以在处理机中相互迁移。如果某个处理机中的进程修改了私有Cache中的数据,但还没写回内存前,由于某种原因需要迁移到其他处理机中继续运行,而此时读到的将是“过时”的数据。③输入输出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)就有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
目前常用的有两种解决Cache一致性问题的方法:监听总线法和目录法。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-Update)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,同时将其他Cache中含有该数据块的数据均置为无效。该策略中数据块的大小对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,就有可能导致总线的流量大大增加,甚至出现争用总线的现象,影响系统的整体性能,Cache结构带来的好处将大打折扣;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