Koherencia vyrovnávacej pamäte

Definícia

Koherencia definuje správanie sa pri čítaní a zápise na to isté miesto v pamäti. Medzipamäte sú koherentné, ak sú splnené všetky nasledujúce podmienky:

1. Keď procesor P číta miesto X, po zápise do tohto miesta musí P získať hodnotu, ktorú zapísal, ak žiadny iný procesor nezapísal do tohto miesta inú hodnotu. To platí aj pre jednoprocesorové systémy, znamená to, že pamäť je schopná udržať zapísanú hodnotu.
2. Predpokladajme, že existujú dva procesory, P₁ a P₂, a P ₁zapísal hodnotu X₁, a potom P ₂zapísal hodnotu X₂, ak P ₁číta hodnotu, musí dostať hodnotu zapísanú P₂, X₂, a nie hodnotu, ktorú zapísal, X₁, ak medzi nimi nie sú žiadne iné zápisy. To znamená, že zobrazenie pamäte je koherentné. Ak by procesory mohli čítať tú istú starú hodnotu po zápise vykonanom P₂, pamäť by nebola koherentná.
3. Do určitého miesta v pamäti môže byť v danom čase vykonaný len jeden zápis. Ak je zápisov viac, musia nasledovať jeden po druhom. Inými slovami, ak miesto X dostalo dve rôzne hodnoty A a B v tomto poradí od ľubovoľných dvoch procesorov, procesory nikdy nemôžu miesto X prečítať ako B a potom ho prečítať ako A. Miesto X musí byť videné s hodnotami A a B v tomto poradí.

Tieto podmienky sú definované za predpokladu, že operácie čítania a zápisu sa vykonávajú okamžite. To sa však v hardvéri počítača nedeje kvôli oneskoreniu pamäte a iným aspektom architektúry. Zápis vykonaný procesorom X nemusí byť viditeľný pri čítaní procesorom Y, ak sa čítanie vykoná vo veľmi malom časovom odstupe po vykonaní zápisu. Model konzistencie pamäte definuje, kedy musí byť zapísaná hodnota viditeľná nasledujúcou inštrukciou čítania vykonanou inými procesormi.

Mechanizmy koherencie vyrovnávacej pamäte

• Mechanizmy koherencie založené na adresároch udržiavajú centrálny adresár blokov v medzipamäti.

• Snooping je proces, pri ktorom každá vyrovnávacia pamäť monitoruje adresné riadky pre prístupy k pamäťovým miestam, ktoré sú v jej vyrovnávacej pamäti. Keď sa zaznamená operácia zápisu do miesta, ktorého kópiu má vyrovnávacia pamäť, radič vyrovnávacej pamäte zneplatní svoju vlastnú kópiu sledovaného pamäťového miesta.

• Snarfing je prípad, keď radič vyrovnávacej pamäte sleduje adresu aj dáta v snahe aktualizovať svoju vlastnú kópiu pamäťového miesta, keď druhý hlavný modul modifikuje miesto v hlavnej pamäti.

Distribuované systémy zdieľanej pamäte napodobňujú tieto mechanizmy, aby mohli udržiavať konzistenciu medzi blokmi pamäte vo voľne prepojených systémoch.

Dva najbežnejšie typy koherencie, ktoré sa zvyčajne študujú, sú Snooping a Directory-based. Každý z nich má svoje vlastné výhody a nevýhody. Protokoly Snooping bývajú rýchlejšie, ak je k dispozícii dostatočná šírka pásma, pretože všetky transakcie sú požiadavka/odpoveď, ktorú vidia všetky procesory. Nevýhodou je, že snooping nie je škálovateľný. Každá požiadavka sa musí vysielať do všetkých uzlov v systéme. Keď sa systém zväčšuje, musí rásť veľkosť (logickej alebo fyzickej) zbernice a šírka pásma, ktorú poskytuje. Na druhej strane, adresáre majú tendenciu mať dlhšie oneskorenia (s 3 skokmi požiadavka/preposlanie/odpoveď), ale využívajú oveľa menšiu šírku pásma, pretože správy sa posielajú z bodu do bodu a nie broadcastom. Z tohto dôvodu mnohé väčšie systémy (>64 procesorov) používajú tento typ koherencie vyrovnávacej pamäte.