Симметричные мультипроцессорные архитектуры и проблема когерентности кэш-памяти

Требования, предъявляемые современными процессорами к полосе пропускания памяти можно существенно сократить путем применения больших многоуровневых кэшей. Тогда, если эти требования снижаются, то несколько процессоров смогут разделять доступ к одной и той же памяти. Начиная с 1980 года эта идея, подкрепленная широким распространением микропроцессоров, стимулировала многих разработчиков на создание небольших мультипроцессоров, в которых несколько процессоров разделяют одну физическую память, соединенную с ними с помощью разделяемой шины. Из-за малого размера процессоров и заметного сокращения требуемой полосы пропускания шины, достигнутого за счет возможности реализации достаточно большой кэш-памяти, такие машины стали исключительно эффективными по стоимости. В первых разработках подобного рода машин удавалось разместить весь процессор и кэш на одной плате, которая затем вставлялась в заднюю панель, с помощью которой реализовывалась шинная архитектура. Современные конструкции позволяют разместить до четырех процессоров на одной плате. На рисунке 40 показана схема именно такой машины.

В такой машине кэши могут содержать как разделяемые, так и частные данные. Частные данные - это данные, которые используются одним процессором, в то время как разделяемые данные используются многими процессорами, по существу обеспечивая обмен между ними. Когда кэшируется элемент частных данных, их значение переносится в кэш для сокращения среднего времени доступа, а также требуемой полосы пропускания. Поскольку никакой другой процессор не использует эти данные, этот процесс идентичен процессу для однопроцессорной машины с кэш-памятью. Если кэшируются разделяемые данные, то разделяемое значение реплицируется и может содержаться в нескольких кэшах. Кроме сокращения задержки доступа и требуемой полосы пропускания такая репликация данных способствует также общему сокращению количества обменов. Однако кэширование разделяемых данных вызывает новую проблему: когерентность кэш-памяти.

Рис. 40. Типовая архитектура мультипроцессорной системы с общей памятью

Мультипроцессорная когерентность кэш-памяти

Проблема, о которой идет речь, возникает из-за того, что значение элемента данных в памяти, хранящееся в двух разных процессорах, доступно этим процессорам только через их индивидуальные кэши. На рисунке 41 показан простой пример, иллюстрирующий эту проблему.

Рис. 41. Иллюстрация проблемы когерентности кэш-памяти

Проблема когерентности памяти для мультипроцессоров и устройств ввода/вывода имеет много аспектов. Обычно в малых мультипроцессорах используется аппаратный механизм, называемый протоколом, позволяющий решить эту проблему. Такие протоколы называются протоколами когерентности кэш-памяти. Существуют два класса таких протоколов:

1. Протоколы на основе справочника (directory based). Информация о состоянии блока физической памяти содержится только в одном месте, называемом справочником (физически справочник может быть распределен по узлам системы).
2. Протоколы наблюдения (snooping). Каждый кэш, который содержит копию данных некоторого блока физической памяти, имеет также соответствующую копию служебной информации о его состоянии. Централизованная система записей отсутствует. Обычно кэши расположены на общей (разделяемой) шине и контроллеры всех кэшей наблюдают за шиной (просматривают ее) для определения того, не содержат ли они копию соответствующего блока.

В мультипроцессорных системах, использующих микропроцессоры с кэш-памятью, подсоединенные к централизованной общей памяти, протоколы наблюдения приобрели популярность, поскольку для опроса состояния кэшей они могут использовать заранее существующее физическое соединение - шину памяти.

Неформально, проблема когерентности памяти состоит в необходимости гарантировать, что любое считывание элемента данных возвращает последнее по времени записанное в него значение. Это определение не совсем корректно, поскольку невозможно требовать, чтобы операция считывания мгновенно видела значение, записанное в этот элемент данных некоторым другим процессором. Если, например, операция записи на одном процессоре предшествует операции чтения той же ячейки на другом процессоре в пределах очень короткого интервала времени, то невозможно гарантировать, что чтение вернет записанное значение данных, поскольку в этот момент времени записываемые данные могут даже не покинуть процессор. Вопрос о том, когда точно записываемое значение должно быть доступно процессору, выполняющему чтение, определяется выбранной моделью согласованного (непротиворечивого) состояния памяти и связан с реализацией синхронизации параллельных вычислений. Поэтому с целью упрощения предположим, что мы требуем только, чтобы записанное операцией записи значение было доступно операции чтения, возникшей немного позже записи и что операции записи данного процессора всегда видны в порядке их выполнения.

С этим простым определением согласованного состояния памяти мы можем гарантировать когерентность путем обеспечения двух свойств:

1. Операция чтения ячейки памяти одним процессором, которая следует за операцией записи в ту же ячейку памяти другим процессором получит записанное значение, если операции чтения и записи достаточно отделены друг от друга по времени.
2. Операции записи в одну и ту же ячейку памяти выполняются строго последовательно (иногда говорят, что они сериализованы): это означает, что две подряд идущие операции записи в одну и ту же ячейку памяти будут наблюдаться другими процессорами именно в том порядке, в котором они появляются в программе процессора, выполняющего эти операции записи.

Первое свойство очевидно связано с определением когерентного (согласованного) состояния памяти: если бы процессор всегда бы считывал только старое значение данных, мы сказали бы, что память некогерентна.

Необходимость строго последовательного выполнения операций записи является более тонким, но также очень важным свойством. Представим себе, что строго последовательное выполнение операций записи не соблюдается. Тогда процессор P1 может записать данные в ячейку, а затем в эту ячейку выполнит запись процессор P2. Строго последовательное выполнение операций записи гарантирует два важных следствия для этой последовательности операций записи. Во-первых, оно гарантирует, что каждый процессор в машине в некоторый момент времени будет наблюдать запись, выполняемую процессором P2. Если последовательность операций записи не соблюдается, то может возникнуть ситуация, когда какой-нибудь процессор будет наблюдать сначала операцию записи процессора P2, а затем операцию записи процессора P1, и будет хранить это записанное P1 значение неограниченно долго. Более тонкая проблема возникает с поддержанием разумной модели порядка выполнения программ и когерентности памяти для пользователя: представьте, что третий процессор постоянно читает ту же самую ячейку памяти, в которую записывают процессоры P1 и P2; он должен наблюдать сначала значение, записанное P1, а затем значение, записанное P2. Возможно он никогда не сможет увидеть значения, записанного P1, поскольку запись от P2 возникла раньше чтения. Если он даже видит значение, записанное P1, он должен видеть значение, записанное P2, при последующем чтении. Подобным образом любой другой процессор, который может наблюдать за значениями, записываемыми как P1, так и P2, должен наблюдать идентичное поведение. Простейший способ добиться таких свойств заключается в строгом соблюдении порядка операций записи, чтобы все записи в одну и ту же ячейку могли наблюдаться в том же самом порядке. Это свойство называется последовательным выполнением (сериализацией) операций записи (write serialization). Вопрос о том, когда процессор должен увидеть значение, записанное другим процессором достаточно сложен и имеет заметное воздействие на производительность, особенно в больших машинах.

Альтернативные протоколы

Имеются две методики поддержания описанной выше когерентности. Один из методов заключается в том, чтобы гарантировать, что процессор должен получить исключительные права доступа к элементу данных перед выполнением записи в этот элемент данных. Этот тип протоколов называется протоколом записи с аннулированием (write ivalidate protocol), поскольку при выполнении записи он аннулирует другие копии. Это наиболее часто используемый протокол как в схемах на основе справочников, так и в схемах наблюдения. Исключительное право доступа гарантирует, что во время выполнения записи не существует никаких других копий элемента данных, в которые можно писать или из которых можно читать: все другие кэшированные копии элемента данных аннулированы. Чтобы увидеть, как такой протокол обеспечивает когерентность, рассмотрим операцию записи, вслед за которой следует операция чтения другим процессором. Поскольку запись требует исключительного права доступа, любая копия, поддерживаемая читающим процессором должна быть аннулирована (в соответствии с названием протокола). Таким образом, когда возникает операция чтения, произойдет промах кэш-памяти, который вынуждает выполнить выборку новой копии данных. Для выполнения операции записи мы можем потребовать, чтобы процессор имел достоверную (valid) копию данных в своей кэш-памяти прежде, чем выполнять в нее запись. Таким образом, если оба процессора попытаются записать в один и тот же элемент данных одновременно, один из них выиграет состязание у второго (мы вскоре увидим, как принять решение, кто из них выиграет) и вызывает аннулирование его копии. Другой процессор для завершения своей операции записи должен сначала получить новую копию данных, которая теперь уже должна содержать обновленное значение.

Альтернативой протоколу записи с аннулированием является обновление всех копий элемента данных в случае записи в этот элемент данных. Этот тип протокола называется протоколом записи с обновлением (write update protocol) или протоколом записи с трансляцией (write broadcast protocol). Обычно в этом протоколе для снижения требований к полосе пропускания полезно отслеживать, является ли слово в кэш-памяти разделяемым объектом, или нет, а именно, содержится ли оно в других кэшах. Если нет, то нет никакой необходимости обновлять другой кэш или транслировать в него обновленные данные.

Разница в производительности между протоколами записи с обновлением и с аннулированием определяется тремя характеристиками:

1. Несколько последовательных операций записи в одно и то же слово, не перемежающихся операциями чтения, требуют нескольких операций трансляции при использовании протокола записи с обновлением, но только одной начальной операции аннулирования при использовании протокола записи с аннулированием.
2. При наличии многословных блоков в кэш-памяти каждое слово, записываемое в блок кэша, требует трансляции при использовании протокола записи с обновлением, в то время как только первая запись в любое слово блока нуждается в генерации операции аннулирования при использовании протокола записи с аннулированием. Протокол записи с аннулированием работает на уровне блоков кэш-памяти, в то время как протокол записи с обновлением должен работать на уровне отдельных слов (или байтов, если выполняется запись байта).
3. Задержка между записью слова в одном процессоре и чтением записанного значения другим процессором обычно меньше при использовании схемы записи с обновлением, поскольку записанные данные немедленно транслируются в процессор, выполняющий чтение (предполагается, что этот процессор имеет копию данных). Для сравнения, при использовании протокола записи с аннулированием в процессоре, выполняющим чтение, сначала произойдет аннулирование его копии, затем будет производиться чтение данных и его приостановка до тех пор, пока обновленная копия блока не станет доступной и не вернется в процессор.

Эти две схемы во многом похожи на схемы работы кэш-памяти со сквозной записью и с записью с обратным копированием. Также как и схема задержанной записи с обратным копированием требует меньшей полосы пропускания памяти, так как она использует преимущества операций над целым блоком, протокол записи с аннулированием обычно требует менее тяжелого трафика, чем протокол записи с обновлением, поскольку несколько записей в один и тот же блок кэш-памяти не требуют трансляции каждой записи. При сквозной записи память обновляется почти мгновенно после записи (возможно с некоторой задержкой в буфере записи). Подобным образом при использовании протокола записи с обновлением другие копии обновляются так быстро, насколько это возможно. Наиболее важное отличие в производительности протоколов записи с аннулированием и с обновлением связано с характеристиками прикладных программ и с выбором размера блока.

Основы реализации

Ключевым моментом реализации в многопроцессорных системах с небольшим числом процессоров как схемы записи с аннулированием, так и схемы записи с обновлением данных, является использование для выполнения этих операций механизма шины. Для выполнения операции обновления или аннулирования процессор просто захватывает шину и транслирует по ней адрес, по которому должно производиться обновление или аннулирование данных. Все процессоры непрерывно наблюдают за шиной, контролируя появляющиеся на ней адреса. Процессоры проверяют не находится ли в их кэш-памяти адрес, появившийся на шине. Если это так, то соответствующие данные в кэше либо аннулируются, либо обновляются в зависимости от используемого протокола. Последовательный порядок обращений, присущий шине, обеспечивает также строго последовательное выполнение операций записи, поскольку когда два процессора конкурируют за выполнение записи в одну и ту же ячейку, один из них должен получить доступ к шине раньше другого. Один процессор, получив доступ к шине, вызовет необходимость обновления или аннулирования копий в других процессорах. В любом случае, все записи будут выполняться строго последовательно. Один из выводов, который следует сделать из анализа этой схемы заключается в том, что запись в разделяемый элемент данных не может закончиться до тех пор, пока она не захватит доступ к шине.

В дополнение к аннулированию или обновлению соответствующих копий блока кэш-памяти, в который производилась запись, мы должны также разместить элемент данных, если при записи происходит промах кэш-памяти. В кэш-памяти со сквозной записью последнее значение элемента данных найти легко, поскольку все записываемые данные всегда посылаются также и в память, из которой последнее записанное значение элемента данных может быть выбрано (наличие буферов записи может привести к некоторому усложнению).

Однако для кэш-памяти с обратным копированием задача нахождения последнего значения элемента данных сложнее, поскольку это значение скорее всего находится в кэше, а не в памяти. В этом случае используется та же самая схема наблюдения, что и при записи: каждый процессор наблюдает и контролирует адреса, помещаемые на шину. Если процессор обнаруживает, что он имеет модифицированную ("грязную") копию блока кэш-памяти, то именно он должен обеспечить пересылку этого блока в ответ на запрос чтения и вызвать отмену обращения к основной памяти. Поскольку кэши с обратным копированием предъявляют меньшие требования к полосе пропускания памяти, они намного предпочтительнее в мультипроцессорах, несмотря на некоторое увеличение сложности. Поэтому далее мы рассмотрим вопросы реализации кэш-памяти с обратным копированием.

Для реализации процесса наблюдения могут быть использованы обычные теги кэша. Более того, упоминавшийся ранее бит достоверности (valid bit), позволяет легко реализовать аннулирование. Промахи операций чтения, вызванные либо аннулированием, либо каким-нибудь другим событием, также не сложны для понимания, поскольку они просто основаны на возможности наблюдения. Для операций записи мы хотели бы также знать, имеются ли другие кэшированные копии блока, поскольку в случае отсутствия таких копий, запись можно не посылать на шину, что сокращает время на выполнение записи, а также требуемую полосу пропускания.

Чтобы отследить, является ли блок разделяемым, мы можем ввести дополнительный бит состояния (shared), связанный с каждым блоком, точно также как это делалось для битов достоверности (valid) и модификации (modified или dirty) блока. Добавив бит состояния, определяющий является ли блок разделяемым, мы можем решить вопрос о том, должна ли запись генерировать операцию аннулирования в протоколе с аннулированием, или операцию трансляции при использовании протокола с обновлением. Если происходит запись в блок, находящийся в состоянии "разделяемый" при использовании протокола записи с аннулированием, кэш формирует на шине операцию аннулирования и помечает блок как частный (private). Никаких последующих операций аннулирования этого блока данный процессор посылать больше не будет. Процессор с исключительной (exclusive) копией блока кэш-памяти обычно называется "владельцем" (owner) блока кэш-памяти.

При использовании протокола записи с обновлением, если блок находится в состоянии "разделяемый", то каждая запись в этот блок должна транслироваться. В случае протокола с аннулированием, когда посылается операция аннулирования, состояние блока меняется с "разделяемый" на "неразделяемый" (или "частный"). Позже, если другой процессор запросит этот блок, состояние снова должно измениться на "разделяемый". Поскольку наш наблюдающий кэш видит также все промахи, он знает, когда этот блок кэша запрашивается другим процессором, и его состояние должно стать "разделяемый".

Поскольку любая транзакция на шине контролирует адресные теги кэша, потенциально это может приводить к конфликтам с обращениями к кэшу со стороны процессора. Число таких потенциальных конфликтов можно снизить применением одного из двух методов: дублированием тегов, или использованием многоуровневых кэшей с "охватом" (inclusion), в которых уровни, находящиеся ближе к процессору являются поднабором уровней, находящихся дальше от него. Если теги дублируются, то обращения процессора и наблюдение за шиной могут выполняться параллельно. Конечно, если при обращении процессора происходит промах, он должен будет выполнять арбитраж с механизмом наблюдения для обновления обоих наборов тегов. Точно также, если механизм наблюдения за шиной находит совпадающий тег, ему будет нужно проводить арбитраж и обращаться к обоим наборам тегов кэша (для выполнения аннулирования или обновления бита "разделяемый"), возможно также и к массиву данных в кэше, для нахождения копии блока. Таким образом, при использовании схемы дублирования тегов процессор должен приостановиться только в том случае, если он выполняет обращение к кэшу в тот же самый момент времени, когда механизм наблюдения обнаружил копию в кэше. Более того, активность механизма наблюдения задерживается только когда кэш имеет дело с промахом.

Рис. 42. Примеры протоколов наблюдения

Если процессор использует многоуровневый кэш со свойствами охвата, тогда каждая строка в основном кэше имеется и во вторичном кэше. Таким образом, активность по наблюдению может быть связана с кэшем второго уровня, в то время как большинство активностей процессора могут быть связаны с первичным кэшем. Если механизм наблюдения получает попадание во вторичный кэш, тогда он должен выполнять арбитраж за первичный кэш, чтобы обновить состояние и возможно найти данные, что обычно будет приводить к приостановке процессора. Такое решение было принято во многих современных системах, поскольку многоуровневый кэш позволяет существенно снизить требований к полосе пропускания. Иногда может быть даже полезно дублировать теги во вторичном кэше, чтобы еще больше сократить количество конфликтов между активностями процессора и механизма наблюдения.

В реальных системах существует много вариаций схем когерентности кэша, в зависимости от того используется ли схема на основе аннулирования или обновления, построена ли кэш-память на принципах сквозной или обратной записи, когда происходит обновление, а также имеет ли место состояние "владения" и как оно реализуется. На рисунке 42 представлены несколько протоколов с наблюдением и некоторые машины , которые используют эти протоколы.