多处理机-- 对称式共享存储器体系结构课件

7.2 对称式共享存储器体系结构,多个处理器共享一个存储器。 当处理器规模较小时，这种机器十分经济。 支持对共享数据和私有数据的Cache缓存 私有数据供一个单独的处理器使用，而共 享数据供多个处理器使用。 共享数据进入Cache产生了一个新的问题 Cache的一致性问题,第七章 多处理机,虚拟存储器的特点,(1) 不一致产生的原因（Cache一致性问题）,IO操作 Cache中的内容可能与由IO子系统输入输 出形成的存储器对应部分的内容不同。 共享数据 不同处理器的Cache都保存有对应存储器单元 的内容。,例两个处理器的读写,7.2.1 多处理机Cache一致性,7.2 对称式共享存储器体系结构,虚拟存储器的特点,(2) 存储器的一致性（非正式定义） 如果对某个数据项的任何读操作均可得到其最 新写入的值，则认为这个存储系统是一致的。,What: 返回给读操作的是什么值 When: 什么时候才能将已写入的值返回给读操作,需要满足以下满足条件 处理器P对X进行一次写之后又对X进行读， 读和写之间没有其它处理器对X进行写，则 读的返回值总是写进的值。,存储系统行为的两个不同方面,7.2 对称式共享存储器体系结构,虚拟存储器的特点, 一个处理器对X进行写之后，另一处理器对X进行 读，读和写之间无其它写，则读X的返回值应为写 进的值。 对同一单元的写是顺序化的，即任意两个处理器 对同一单元的两次写，从所有处理器看来顺序都应 是相同的。 假设 直到所有的处理器均看到了写的结果，一次写操 作才算完成；允许处理器无序读，但必须以程序规定 的顺序进行写。,7.2 对称式共享存储器体系结构,虚拟存储器的特点,在一致的多处理机中，Cache提供两种功能：,共享数据的迁移 降低了对远程共享数据的访问延迟。 共享数据的复制 不仅降低了访存的延迟，也减少了访问共 享数据所产生的冲突。,小规模多处理机不是采用软件而是采用硬件技术 实现Cache一致性。,7.2.2 实现一致性的基本方案,7.2 对称式共享存储器体系结构,(1) Cache一致性协议 对多个处理器维护一致性的协议。 (2) 关键：跟踪记录共享数据块的状态 (3) 共享数据状态跟踪记录技术,目录 物理存储器中共享数据块的状态及相关信息 均被保存在一个称为目录的地方。 监听（snooping） 每个Cache除了包含物理存储器中块的数据拷 贝之外，也保存着各个块的共享状态信息。,7.2 对称式共享存储器体系结构,虚拟存储器的特点,Cache通常连在共享存储器的总线上，各个Cache 控制器通过监听总线来判断它们是否有总线上请求的 数据块。,两种更新协议 (1) 写作废协议 在一个处理器写某个数据项之前保证它对该 数据项有唯一的访问权。 例 ： 在写回Cache的条件下，监听总线中写作废协议的实现。,7.2 对称式共享存储器体系结构,虚拟存储器的特点,(2) 写更新协议 当一个处理器写某数据项时，通过广播使其它 Cache中所有对应的该数据项拷贝进行更新。 例 在写回Cache的条件下，监听总线中写更新协议的实现。,虚拟存储器的特点,(3) 写更新和写作废协议性能上的差别主要来自：,对同一数据的多个写而中间无读操作的情况， 写更新协议需进行多次写广播操作，而在写 作废协议下只需一次作废操作。 对同一块中多个字进行写，写更新协议对每 个字的写均要进行一次广播，而在写作废协 议下仅在对本块第一次写时进行作废操作。 从一个处理器写到另一个处理器读之间的延 迟通常在写更新模式中较低。而在写作废协 议中，需要读一个新的拷贝。,7.2 对称式共享存储器体系结构,虚拟存储器的特点,大多数多处理机系统都采用写作废协议,7.2 对称式共享存储器体系结构,虚拟存储器的特点,7.2.3 监听协议及其实现,基本实现技术,小规模多处理机中实现写作废协议的关键 利用总线进行作废操作：把要作废的地址放到总线上（一个放，多个读） 写顺序化：由总线实现 写直达Cache：因为所有写的数据同时被写回主存，则从主存中总可以取到最新的数据值。 对于写回Cache，得到数据的最新值会困难一些，因为最新值可能在某个Cache中，也可能在主存中。,7.2 对称式共享存储器体系结构,虚拟存储器的特点,增加Cache中块的标志位 状态： 无效（invalid） 无副本 共享（shared） 至少一个副本，clean 独占（exclusive） 唯一副本，dirty Cache块的拥有者：拥有唯一的Cache块副本 的处理器。 因为每次总线任务均要检查Cache的地址位，这 可能与CPU对Cache的访问冲突。可通过下列两种 技术之一降低冲突： 复制标志位 采用多级包容Cache （许多系统采用）,7.2 对称式共享存储器体系结构,虚拟存储器的特点,监听协议举例,为简单起见，对于对共享块的 Write hit 和 Write miss 不加区分，都按 Write miss 处理,写作废，写回法,7.2 对称式共享存储器体系结构,虚拟存储器的特点,虚拟存储器的特点,虚拟存储器的特点,虚拟存储器的特点,