Paměťová koherence

Definice

Koherence definuje chování čtení a zápisu do stejného místa paměti. Mezipaměti jsou koherentní, pokud jsou splněny všechny následující podmínky:

1. Když procesor P čte umístění X, musí po zápisu do tohoto umístění získat hodnotu, kterou zapsal, pokud žádný jiný procesor nezapsal do tohoto umístění jinou hodnotu. To platí i pro jednoprocesorové systémy, znamená to, že paměť je schopna udržet zapsanou hodnotu.
2. Předpokládejme, že existují dva procesory, P₁ a P₂, a P ₁zapsal hodnotu X₁ a poté P ₂zapsal hodnotu X₂, pokud P ₁čte hodnotu, musí získat hodnotu zapsanou P₂, X₂, a ne hodnotu, kterou zapsal, X₁, pokud mezi nimi nejsou žádné další zápisy. To znamená, že zobrazení paměti je koherentní. Pokud by procesory mohly číst stejně starou hodnotu po zápisu provedeném P₂, paměť by nebyla koherentní.
3. Do určitého místa v paměti lze v daném okamžiku zapsat pouze jednou. Pokud je zápisů více, musí následovat jeden po druhém. Jinými slovy, pokud umístění X obdrželo dvě různé hodnoty A a B v tomto pořadí od libovolných dvou procesorů, nemohou procesory nikdy přečíst umístění X jako B a pak ho přečíst jako A. Umístění X musí být viděno s hodnotami A a B v tomto pořadí.

Tyto podmínky jsou definovány za předpokladu, že operace čtení a zápisu probíhají okamžitě. To se však v počítačovém hardwaru neděje kvůli zpoždění paměti a dalším aspektům architektury. Zápis provedený procesorem X nemusí být viděn čtením z procesoru Y, pokud je čtení provedeno ve velmi krátkém čase po provedení zápisu. Model konzistence paměti definuje, kdy musí být zapsaná hodnota viděna následující instrukcí čtení provedenou jinými procesory.

Mechanismy koherence mezipaměti

• Mechanismy koherence založené na adresáři udržují centrální adresář bloků uložených v mezipaměti.

• Snooping je proces, při kterém každá mezipaměť sleduje adresní řádky pro přístupy k paměťovým místům, která jsou v její mezipaměti. Pokud je pozorována operace zápisu do umístění, jehož kopii má cache, řadič cache zneplatní svou vlastní kopii snoopovaného paměťového umístění.

• Snarfing je situace, kdy řadič mezipaměti sleduje adresu i data a snaží se aktualizovat svou vlastní kopii paměťového umístění, když druhý master změní umístění v hlavní paměti.

Distribuované systémy sdílené paměti tyto mechanismy napodobují, takže mohou udržovat konzistenci mezi bloky paměti ve volně vázaných systémech.

Dva nejběžnější typy koherence, které se obvykle studují, jsou Snooping a Directory-based. Každý z nich má své výhody a nevýhody. Protokoly Snooping bývají rychlejší, pokud je k dispozici dostatečná šířka pásma, protože všechny transakce jsou požadavek/odpověď, které vidí všechny procesory. Nevýhodou je, že snooping není škálovatelný. Každý požadavek musí být rozeslán všem uzlům v systému. Jak se systém zvětšuje, musí růst velikost (logické nebo fyzické) sběrnice a šířka pásma, kterou poskytuje. Na druhou stranu adresáře mají tendenci mít delší latence (při požadavku/zaslání/předání/odpovědi ve třech skocích), ale využívají mnohem menší šířku pásma, protože zprávy jsou zasílány z bodu do bodu, a ne broadcastem. Z tohoto důvodu mnoho větších systémů (>64 procesorů) používá tento typ koherence mezipaměti.