多核对操作系统的影响1Cache一致性.ppt
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1、多核对操作系统的影响多核对操作系统的影响(1) Cache一致性一致性outlinelCache Coherence问题lCache Coherence的提出l多个Cache不一致的原因l两种设计Cache一致性协议策略l监听总线协议l基于目录的Cache一致性协议l三种Cache一致性策略2Cache Coherence问题问题lCache Coherence问题的提出l在多核和多处理器系统中,多个Cache对应的copy内容应该一致:MemoryCachecoreCachecoreCachecore这几个copy应该一致3多个多个Cache不一致的原因不一致的原因l共享可写数据的不一致性l
2、进程迁移的不一致性lI/O操作(绕过Cache的I/O操作)4l共享可写数据的不一致性(sharing of writable data)core1core2更新前xxx核Cachesharedmemorycore1core2写通过xxxcore1core2写回xxxCache和内存时刻保持一致5l进程迁移的不一致性core1core2迁移前xx核Cachecore1core2写通过xxxcore1core2写回xxx6lI/O操作(绕过Cache的I/O操作)core1core2xx存储器core1core2写通过xxcore1core2写回xxxxxxxI/O存储器输入存储器输出c1c2总
3、线7两种设计两种设计Cache一致性协议策略一致性协议策略l写无效(写无效(write invalidate)l任一core写它的私有Cache时,它都使所有其它的Cache中的副本失效。l对Write-through,它也更新memory中的副本(最终是一个Cache中的副本和memory中的副本是有效的)。l对Write-back,它使memory中的副本也失效(最终只有一个Cache中的副本是有效的)。8两种设计两种设计Cache一致性协议策略一致性协议策略l写更新(写更新(write update)l任一处理器写它的私有Cache时,它都立即更新所有其它的Cache中的副本。l对Wri
4、te-through,它也更新主存储器中的副本。l对Write-back,对存储器中副本的更新延迟到这个Cache被置换的时刻。9 下图表示数据块x在共享存储器和三个核的Cache中的副本一致的情形。x共享存储器CacheP1xP2xxP3总线核10l下图表示core1进行写无效操作后的情形。l写通过:xI表示无效core1Icore2xIcore3共享存储器Cache总线核11l写回:xI表示无效core1Icore2IIcore3共享存储器Cache总线核12l下图表示core1进行写更新操作后的情形(写通过)。xI表示无效core1xcore2xxcore3共享存储器Cache总线核13
5、l写无效的问题写无效的问题l主要开销在两个方面:(1)作废各Cache副本的开销;(2)由作废引起缺失造成的开销,即处理机需要访问已经作废的数据时将引起Cache的缺失。14l写无效后果:写无效后果:l如果一个Core经常对某个块连续写,且Core间对共享块的竞争较小,这时写无效策略维护一致性的开销是很小的。l如发生严重竞争,即Core之间对某个地址的共享数据竞争,将产生较多的作废,引起更多的作废缺失。结果是共享数据在各Cache间倒来倒去,产生颠簸现象,当缓存块比较大时,这种颠簸现象更为严重。15l写更新的问题写更新的问题l由于更新时,所有的副本均需要更新,开销很大。16outlinelCa
6、che Coherence问题lCache Coherence的提出l多个Cache不一致的原因l两种设计Cache一致性协议策略l监听总线协议l写一次协议l基于目录的Cache一致性协议l三种Cache一致性策略17监听总线协议监听总线协议(Snoopy protocol)l通过总线监听机制实现Cache和共享存储器之间的一致性。l适用性分析:l适用于具有广播能力的总线结构多Core系统,允许每个Core监听其它Core的存储器访问情况。l只适用于小规模的多Core系统。18l写一次写一次(write-once)协议协议l写无效监听一致性协议,将写通过和写回策略结合。l为了减少总线流量,高速
7、缓存块的第一次写用写通过方法,产生一份正确的主存储器副本,并使其它的Cache中的副本无效,之后就采用写回方法更新Cache与主存储器。19l一致性协议的内容包括一致性协议的内容包括l l(1)Cache可能出现的状态集合l(2)共享主存的状态l(3)为维护一致性而引起的状态转换。20l每份Cache中的副本可能出现的四种状态 l(1)有效(valid state):与主存储器副本一致的Cache副本,即该副本未经修改,所以这个Cache副本不是唯一的副本。l(2)保留(reserved state):这一Cache副本是第一次修改,并用写通过方法写入主存,所以这一Cache副本和主存储器副本
8、一致。l(3)重写(dirty state):Cache副本不止一次被修改过,由于不再采用写通过方法,所以这个Cache副本是唯一的副本。与存储器和其它的Cache副本都不一致。主存储器中的副本也是无效的。l(4)无效(invalid state)与存储器或其它的Cache副本不一致,或在Cache中找不到。21l局部命令(Local commands) l(1)P-Read:本地处理机读自己的Cache副本。l(2)P-Write:本地处理机写自己的Cache副本。22l一致性命令一致性命令l(1)Read-blk:从另一Cache读一份有效的副本。l(2)Write-inv:在写命中时在总
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