Cache koherence

Definīcija

Koherence nosaka, kā notiek lasījumi un rakstījumi uz vienu un to pašu atmiņas vietu. Kešatmiņas ir saskaņotas, ja ir izpildīti visi turpmāk minētie nosacījumi:

1. Kad procesors P nolasa atrašanās vietu X, pēc ierakstīšanas šajā atrašanās vietā P ir jāsaņem vērtība, ko tas ierakstījis, ja neviens cits procesors šajā atrašanās vietā nav ierakstījis citu vērtību. Tas attiecas arī uz monoprocesoru sistēmām, tas nozīmē, ka atmiņa spēj saglabāt ierakstīto vērtību.
2. Pieņemsim, ka ir divi procesori, P₁ un P₂, un P ir ₁ierakstījis vērtību X₁, un pēc tam P ir ₂ierakstījis vērtību X₂, ja P ₁nolasa vērtību, tam ir jāsaņem P₂ ierakstītā vērtība X₂, nevis vērtība, ko tas ir ierakstījis, X₁, ja starp abiem nav citu ierakstu. Tas nozīmē, ka atmiņas skats ir saskaņots. Ja procesori var nolasīt to pašu veco vērtību pēc P₂ veiktā ieraksta, atmiņa nebūtu koherenta.
3. Vienlaicīgi var veikt tikai vienu ierakstu uz noteiktu vietu atmiņā. Ja ir vairāki ieraksti, tiem jānotiek vienam pēc otra. Citiem vārdiem sakot, ja atrašanās vieta X ir saņēmusi divas dažādas vērtības A un B šādā secībā no jebkuriem diviem procesoriem, procesori nekad nevar nolasīt atrašanās vietu X kā B un pēc tam nolasīt to kā A. Vieta X ir jāskata ar vērtībām A un B šādā secībā.

Šie nosacījumi ir definēti, pieņemot, ka lasīšanas un rakstīšanas operācijas tiek veiktas uzreiz. Tomēr datoru aparatūrā tas nenotiek atmiņas aizkavēšanās un citu arhitektūras aspektu dēļ. Procesora X veikto ierakstu var nepamanīt procesora Y veiktais nolasījums, ja nolasījums tiek veikts ļoti īsā laikā pēc ieraksta veikšanas. Atmiņas konsekvences modelis nosaka, kad ierakstītajai vērtībai jābūt redzamai pēc tam, kad citi procesori izdod nolasīšanas instrukciju.

Kešatmiņas koherences mehānismi

• Uz direktoriju balstīti saskaņotības mehānismi uztur centrālo direktoriju ar kešētajiem blokiem.

• Snooping ir process, kurā katra kešatmiņa uzrauga adrešu rindas, lai noteiktu piekļuves atmiņas vietām, kas ir tās kešatmiņā. Ja tiek novērota rakstīšanas operācija uz vietu, kuras kopija ir kešatmiņas kopijā, kešatmiņas kontrolieris anulē savu kopiju no izsekojamās atmiņas vietas.

• Snarfing ir gadījums, kad kešatmiņas kontrolieris uzrauga gan adresi, gan datus, mēģinot atjaunināt savu atmiņas vietas kopiju, kad otrs galvenais kontrolieris maina vietu galvenajā atmiņā.

Sadalītās koplietojamās atmiņas sistēmas imitē šos mehānismus, lai varētu saglabāt konsekvenci starp atmiņas blokiem brīvi saistītajās sistēmās.

Divi visbiežāk pētītie saskaņotības veidi parasti ir Snooping un Directory-based. Katram no tiem ir savas priekšrocības un trūkumi. Snooping protokoli parasti ir ātrāki, ja ir pieejams pietiekams joslas platums, jo visi darījumi ir pieprasījums/atbilde, ko redz visi procesori. Trūkums ir tas, ka snooping nav mērogojams. Katrs pieprasījums ir jānosūta visiem sistēmas mezgliem. Palielinoties sistēmai, (loģiskās vai fiziskās) kopnes izmēram un tās nodrošinātajam joslas platumam ir jāpalielinās. No otras puses, direktorijām parasti ir garāki kavējumi (ar 3 lēcienu pieprasījumu/pārsūtīšanu/atbildi), bet tās izmanto daudz mazāku joslas platumu, jo ziņojumi tiek sūtīti no punkta uz punktu, nevis pārraidīti. Šā iemesla dēļ daudzās lielākās sistēmās (>64 procesori) izmanto šāda veida kešatmiņas koherenci.