已阅读5页,还剩16页未读, 继续免费阅读
版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
本 科 生 毕 业 论 文 (设 计 ) cache(高 速 缓 存 )与 主 存 一 致 性 初 探 院 系 名 称 信 息 工 程 系 姓 名 姓 名 学 号 2008341142 专 业 计 算 机 科 学 与 技 术 专 业 指 导 教 师 导 师 教 授 2012 年 3 月 25 日 ii 摘 要 存 储 器 是 具 有 “记 忆 ”功 能 的 部 件 , 它 在 计 算 机 系 统 中 占 有 十 分 重 要 的 地 位 。 存 储 器 的 基 本 功 能 是 存 放 以 二 进 制 形 式 表 示 的 程 序 与 数 据 。 如 何 设 计 容 量 大 、 速 度 快 且 造 价 低 的 存 储 器 , 一 直 是 计 算 机 发 展 中 的 关 键 问 题 , 目 前 还 没 有 哪 一 种 存 储 器 功 能 完 全 满 足 计 算 机 系 统 对 存 储 器 的 需 求 。 因 此 , 计 算 机 系 统 通 常 配 备 分 层 结 构 的 存 储 系 统 , 以 满 足 容 量 、 速 度 和 造 价 等 方 面 的 要 求 。 衡 量 存 储 器 有 三 个 指 标 : 容 量 、 速 度 和 价 格 /位 。 一 般 地 说 , 速 度 高 的 存 储 器 , 每 位 价 格 也 高 , 因 此 容 量 不 能 太 大 。 所 以 存 储 器 设 计 的 约 束 有 容 量 、 速 度 和 价 格 。 容 量 似 乎 没 有 限 制 , 不 管 容 量 多 大 , 总 要 开 发 出 应 用 程 序 来 使 用 。 为 了 获 得 更 好 的 性 能 , 存 储 器 的 速 度 必 须 能 够 跟 上 cpu, 即 当 cpu 执 行 指 令 时 , 不 想 让 他 停 下 来 等 待 指 令 或 操 作 数 。 价 格 问 题 也 必 须 考 虑 , 对 于 实 用 的 系 统 , 存 储 器 的 价 格 必 须 相 对 于 其 他 部 件 是 合 理 的 。 因 此 三 个 指 标 之 间 需 要 进 行 权 衡 。 高 速 缓 存 系 统 中 能 否 确 保 高 速 缓 冲 存 储 器 和 主 存 内 容 一 致 性 , 这 个 问 题 直 接 关 系 到 整 个 计 算 机 系 统 的 性 能 。 这 两 部 分 的 数 据 一 致 性 问 题 产 生 的 原 因 有 二 : 其 一 , 由 于 cpu 对 高 速 缓 冲 存 储 器 的 写 入 导 致 它 的 内 容 更 新 而 主 存 内 容 陈 旧 ; 其 二 , 由 于 i/o 处 理 机 或 多 处 理 机 系 统 中 某 一 处 理 机 修 改 了 主 存 内 容 导 致 高 速 缓 冲 存 储 器 内 容 陈 旧 。 针 对 不 同 原 因 , 分 析 了 写 策 略 中 七 种 解 决 方 案 , 并 就 高 速 缓 存 系 统 采 用 的 第 二 级 脱 片 高 速 缓 冲 存 储 器 , 以 及 第 三 级 脱 片 高 速 缓 冲 存 储 器 结 构 数 据 一 致 性 问 题 进 行 初 步 探 讨 。 本 文 通 过 对 存 储 器 系 统 cache( 高 速 缓 存 ) 与 主 存 的 概 念 进 行 描 述 和 目 前 两 者 之 间 一 致 性 存 在 的 一 些 问 题 进 行 研 究 。 并 分 析 在 多 处 理 机 系 统 中 , 主 存 与 各 处 理 机 私 有 cache 之 间 及 各 私 有 cache 之 间 存 在 的 数 据 不 一 致 性 。 对 解 决 不 一 致 性 的 方 法 : 监 听 总 线 协 议 、 基 于 目 录 的 cache 一 致 性 协 议 、 软 件 控 制 方 法 等 进 行 详 细 的 定 性 分 析 , 并 指 出 各 种 方 法 的 优 缺 点 , 供 设 计 者 参 考 ; 同 时 提 出 软 件 和 硬 件 相 结 合 的 方 法 , 能 有 效 解 决 cache 的 一 致 性 问 题 。 关 键 词 : 存 储 器 ; 主 存 ; 缓 存 ; 一 致 性 iii abstract memory is a “ memory “ function components , it in a computer system occupies a very important position . the basic function of memory is stored in binary form of said programs and data . how to design capacity , speed is quick and low cost of memory , is always the key problems in the development of the computer , there is no memory function fully meet the needs of the memory of a computer system. therefore, the computer system usually equipped with a layered structure of storage system, to satisfy the capacity, speed and cost requirements. measure memory has three index : capacity , speed and price/a. generally speaking , the high speed of memory, every price is high , therefore capacity can not be too big . so memory design constraints capacity , speed and price . there seems to be no limit capacity , no matter how much capacity , the total to develop applications to use . in order to obtain the better performance, the speed of the memory must be able to keep up with the cpu,and that is when the cpu executing instructions , dont want him to stop and wait for instructions or operand. the question of price must also consider, for practical system, memory prices relative to other parts must be is reasonable. so the three indexes to weigh between. cache system can ensure cache memory and main memory contents consistency , the directly related to the entire computer system performance . the two parts of the data consistency issues of two reasons : first , because of the cpu cache memory write led to its contents to update the memory and out-of-date contents ; second , because of i/o processor or multi-processor systems of a processor modified the main memory contents lead to cache content obsolete . according to different reasons , analyzes the strategy of written seven kinds of solutions, and the cache system uses 2 to take off the piece of cache, and the third class to take off the piece of cache structure data consistency problem for a preliminary discussion. this article through to the memory system cache ( cache ) and the concept of main storage describe between consistency and at present there are some problems. and analysis in multiprocessor system , main memory with the processor cache between the private and private cache of inconsistency between data. to solve the inconsistency method: surveillance bus agreement, the cache directory based on consistency agreement, software control method of detailed qualitative analysis , and points out the advantages and disadvantages of each method for designers ; some software and hardware the method of combining the cache can effectively resolve the consistency of the problem. key words: memory , the main memory , cache , the consistency iv 目 录 1 引 言 .1 2 研 究 的 背 景 和 意 义 .2 2.1 研 究 的 背 景 .2 2.1.1 主 -辅 存 存 储 层 次 2 2.1.2 cache-主 存 存 储 层 次 .3 2.1.3 存 储 器 分 层 结 构 .3 2.2 研 究 的 意 义 .5 3 数 据 一 致 性 问 题 的 提 出 .7 4 基 于 不 同 原 因 的 写 策 略 解 决 方 案 .9 4.1 基 于 原 因 1 的 解 决 办 法 .9 4.1.1 写 直 达 .9 4.1.2 写 回 发 .9 4.2 基 于 原 因 2 的 解 决 办 法 .9 4.2.1 总 线 监 视 法 .9 4.2.2 硬 件 监 视 法 10 4.2.3 划 出 不 可 高 速 缓 存 存 储 区 法 10 4.2.4 cache 清 除 法 .10 4.3 基 于 原 因 3 的 解 决 办 法 10 4.4 基 于 目 录 的 cache 一 致 性 协 议 10 5 数 据 一 致 性 问 题 的 发 展 与 展 望 13 6 结 束 语 15 参 考 文 献 16 致 谢 18 1 1 引 言 高 速 缓 冲 存 储 器 是 存 在 于 主 存 与 cpu 之 间 的 一 级 存 储 器 , 由 静 态 存 储 芯 片 (sram)组 成 , 容 量 比 较 小 但 速 度 比 主 存 高 得 多 , 接 近 于 cpu 的 速 度 。 在 计 算 机 存 储 系 统 的 层 次 结 构 中 , 是 介 于 中 央 处 理 器 和 主 存 储 器 之 间 的 高 速 小 容 量 存 储 器 。 它 和 主 存 储 器 一 起 构 成 一 级 的 存 储 器 。 高 速 缓 冲 存 储 器 和 主 存 储 器 之 间 信 息 的 调 度 和 传 送 是 由 硬 件 自 动 进 行 的 。 高 速 缓 冲 存 储 器 的 容 量 一 般 只 有 主 存 储 器 的 几 百 分 之 一 , 但 它 的 存 取 速 度 能 与 中 央 处 理 器 相 匹 配 。 根 据 程 序 局 部 性 原 理 , 正 在 使 用 的 主 存 储 器 某 一 单 元 邻 近 的 那 些 单 元 将 被 用 到 的 可 能 性 很 大 。 因 而 , 当 中 央 处 理 器 存 取 主 存 储 器 某 一 单 元 时 , 计 算 机 硬 件 就 自 动 地 将 包 括 该 单 元 在 内 的 那 一 组 单 元 内 容 调 入 高 速 缓 冲 存 储 器 , 中 央 处 理 器 即 将 存 取 的 主 存 储 器 单 元 很 可 能 就 在 刚 刚 调 入 到 高 速 缓 冲 存 储 器 的 那 一 组 单 元 内 。 于 是 , 中 央 处 理 器 就 可 以 直 接 对 高 速 缓 冲 存 储 器 进 行 存 取 。 在 整 个 处 理 过 程 中 , 如 果 中 央 处 理 器 绝 大 多 数 存 取 主 存 储 器 的 操 作 能 为 存 取 高 速 缓 冲 存 储 器 所 代 替 , 计 算 机 系 统 处 理 速 度 就 能 显 著 提 高 。 当 然 , 计 算 机 存 储 系 统 中 , 高 速 缓 冲 存 储 器 系 统 的 引 入 虽 然 为 计 算 机 系 统 处 理 数 据 的 速 度 带 来 了 显 著 地 提 高 , 但 是 随 之 而 来 的 cache( 高 速 缓 存 ) 与 主 存 间 数 据 一 致 性 问 题 也 是 日 益 凸 显 出 来 。 存 储 器 中 的 一 致 性 问 题 , 是 伴 随 着 存 储 器 结 构 的 概 念 而 提 出 的 , 又 一 直 是 困 扰 着 计 算 机 设 计 者 的 一 个 重 要 问 题 , 也 是 很 多 从 事 计 算 机 体 系 结 构 研 究 的 人 们 所 共 同 面 对 的 一 个 热 门 研 究 课 题 。 特 别 是 近 年 来 出 现 的 多 处 理 系 统 , 超 并 行 机 系 统 , 超 大 规 模 计 算 机 系 统 等 采 用 dsm( distributed shared memory) -分 布 式 共 享 存 储 器 技 术 的 大 型 系 统 中 , 都 采 用 了 多 级 cache 的 存 储 器 层 次 结 构 。 在 cache 的 数 据 一 致 性 问 题 上 , 就 更 显 突 出 了 。 如 在 dsm 多 处 理 机 系 统 结 构 中 , 相 邻 层 之 间 和 同 一 层 之 内 可 能 会 出 现 数 据 不 一 致 性 。 通 过 存 储 器 的 共 享 数 据 , 进 程 在 同 一 算 法 下 并 行 工 作 。 为 了 减 少 内 存 访 问 延 时 和 内 存 总 线 的 拥 塞 , 要 求 cache 与 每 个 处 理 器 相 关 。 这 样 同 一 数 据 在 不 同 的 cache 中 有 多 个 副 本 。 当 处 理 机 对 共 享 存 储 器 某 个 单 元 在 其 本 地 cache 中 的 拷 贝 要 进 行 维 护 时 , 只 要 对 该 单 元 的 本 地 拷 贝 进 行 修 改 , 这 就 有 可 能 引 起 存 储 器 的 全 局 不 一 致 性 等 等 。 所 以 如 何 在 维 护 一 致 性 情 况 下 又 保 证 处 理 机 代 价 最 小 是 这 本 论 文 讨 论 的 主 要 问 题 。 本 文 将 在 对 计 算 机 存 储 系 统 存 储 进 行 介 绍 的 前 提 下 , 对 高 速 缓 存 系 统 中 cache( 高 速 缓 存 ) 与 主 存 这 两 部 分 的 数 据 一 致 性 问 题 产 生 的 各 种 原 因 进 行 充 分 的 分 析 和 研 究 , 并 针 对 不 同 的 原 因 , 给 予 适 当 各 种 维 护 策 略 下 的 保 证 一 致 性 的 可 行 方 案 。 2 2 研 究 的 背 景 和 意 义 2.1 研 究 的 背 景 存 储 器 是 具 有 “记 忆 ”功 能 的 部 件 , 它 在 计 算 机 系 统 中 占 有 十 分 重 要 的 地 位 。 存 储 器 的 基 本 功 能 是 存 放 以 二 进 制 形 式 表 示 的 程 序 与 数 据 。 如 何 设 计 容 量 大 、 速 度 快 且 造 价 低 的 存 储 器 , 一 直 是 计 算 机 发 展 中 的 关 键 问 题 , 目 前 还 没 有 哪 一 种 存 储 器 功 能 完 全 满 足 计 算 机 系 统 对 存 储 器 的 需 求 。 因 此 , 计 算 机 系 统 通 常 配 备 分 层 结 构 的 存 储 系 统 , 以 满 足 容 量 、 速 度 和 造 价 等 方 面 的 要 求 。 衡 量 存 储 器 有 三 个 指 标 : 容 量 、 速 度 和 价 格 /位 。 一 般 地 说 , 速 度 高 的 存 储 器 , 每 位 价 格 也 高 , 因 此 容 量 不 能 太 大 。 所 以 存 储 器 设 计 的 约 束 有 容 量 、 速 度 和 价 格 。 容 量 似 乎 没 有 限 制 , 不 管 容 量 多 大 , 总 要 开 发 出 应 用 程 序 来 使 用 。 为 了 获 得 更 好 的 性 能 , 存 储 器 的 速 度 必 须 能 够 跟 上 cpu, 即 当 cpu 执 行 指 令 时 , 不 想 让 他 停 下 来 等 待 指 令 或 操 作 数 。 价 格 问 题 也 必 须 考 虑 , 对 于 实 用 的 系 统 , 存 储 器 的 价 格 必 须 相 对 于 其 他 部 件 是 合 理 的 。 因 此 三 个 指 标 之 间 需 要 进 行 权 衡 。 2.1.1 主-辅存存储层次 由 于 计 算 机 主 存 容 量 相 对 于 程 序 员 所 需 要 的 容 量 来 说 总 是 太 小 , 程 序 与 数 据 从 辅 存 调 入 主 存 是 由 程 序 员 自 己 安 排 的 , 程 序 员 必 须 花 费 很 大 精 力 和 时 间 把 大 程 序 预 先 分 成 块 , 确 定 好 这 些 程 序 块 在 辅 存 中 的 位 置 和 装 入 主 存 的 地 址 , 而 且 还 要 预 先 安 排 好 程 序 运 行 时 各 块 如 何 和 何 时 调 入 调 出 , 因 此 存 在 存 储 空 间 的 分 配 问 题 。 操 作 系 统 的 形 成 和 发 展 使 得 程 序 员 尽 可 能 摆 脱 主 、 辅 存 之 间 的 地 址 定 位 , 同 时 形 成 了 支 持 这 些 功 能 的 “辅 助 硬 件 ”, 通 过 软 件 、 硬 件 的 结 合 , 把 主 存 和 辅 存 统 一 成 了 一 个 整 体 , 如 图 2-1 所 示 。 这 时 , 由 主 存 、 辅 存 形 成 了 一 个 存 储 层 次 , 即 存 储 系 统 。 从 整 体 看 , 其 速 度 接 近 于 主 存 的 速 度 , 其 容 量 则 接 近 于 辅 存 的 容 量 , 而 每 位 的 平 均 价 格 也 接 近 于 廉 价 的 慢 速 的 辅 存 平 均 价 格 。 这 种 系 统 不 断 发 展 和 完 善 , 就 逐 步 形 成 了 现 在 广 泛 使 用 的 虚 拟 存 储 系 统 。 在 系 统 中 , 应 用 程 序 员 可 用 机 器 指 令 地 址 码 对 整 个 程 序 统 一 编 址 , 如 同 程 序 员 具 有 对 应 这 个 地 址 码 宽 度 的 全 部 虚 存 空 间 一 样 。 该 空 间 可 以 比 主 存 实 际 空 间 大 得 多 , 以 致 可 以 存 得 下 整 个 程 序 。 这 种 指 令 地 址 码 称 为 虚 地 址 ( 虚 存 地 址 、 虚 拟 地 址 ) 或 逻 辑 地 址 , 其 对 应 的 存 储 容 量 称 为 虚 存 容 量 或 虚 存 空 间 ; 而 把 实 际 主 存 的 地 址 称 为 物 理 地 址 、 实 ( 存 ) 地 址 , 其 对 应 的 存 储 容 量 称 为 主 存 容 量 、 实 存 容 量 或 实 ( 主 ) 存 空 间 。 3 图 2-1 主 -辅 存 存 储 层 次 2.1.2 cache-主存存储层次 当 用 虚 地 址 访 问 主 存 时 , 机 器 自 动 地 把 它 经 辅 助 软 件 、 硬 件 变 换 成 主 存 实 地 址 。 察 看 这 个 地 址 所 对 应 的 单 元 内 容 是 否 已 经 装 入 主 存 , 如 果 在 主 存 就 进 行 访 问 , 如 果 不 在 主 存 内 就 经 辅 助 软 件 、 硬 件 把 它 所 在 的 那 块 程 序 和 数 据 由 辅 存 调 入 主 存 , 而 后 进 行 访 问 。 这 些 操 作 都 不 必 由 程 序 员 来 安 排 , 也 就 是 说 , 对 应 用 程 员 员 是 透 明 的 。 主 -辅 存 层 次 解 决 了 存 储 器 大 容 量 要 求 和 低 成 本 之 间 的 矛 盾 。 在 速 度 方 面 , 计 算 机 的 主 存 和 cpu 直 保 持 了 大 约 一 个 数 量 级 的 差 距 。 显 然 这 个 差 距 限 制 了 cpu 速 度 潜 力 的 发 挥 。 为 了 弥 合 这 个 差 距 , 仅 采 用 一 种 工 艺 的 单 一 存 储 器 是 行 不 通 的 , 必 须 进 一 步 从 计 算 机 系 统 结 构 和 组 织 上 去 研 究 。 设 置 高 速 缓 冲 存 储 器 ( cache) 是 解 决 存 取 速 度 的 重 要 方 法 。 在 cpu 和 主 存 中 间 设 置 高 速 缓 冲 存 储 器 , 构 成 高 速 缓 存 ( cache) -主 存 层 次 , 要 求 cache 在 速 度 上 能 跟 得 上 cpu 的 要 求 。 cache-主 存 间 的 地 址 映 象 和 调 度 吸 取 了 比 它 较 早 出 现 的 主 -辅 存 存 储 层 次 的 技 术 , 不 同 的 是 因 其 速 度 要 求 高 , 不 是 由 软 、 硬 件 结 合 而 完 全 由 硬 件 来 实 现 , 如 图 2-2 所 示 。 图 2-2 cache-主 存 存 储 层 次 2.1.3 存储器分层结构 从 cpu 的 角 度 看 , cache-主 存 层 次 的 速 度 接 近 于 cache, 容 量 与 每 位 价 格 接 近 于 主 存 , 因 此 , 解 决 了 速 度 与 成 本 之 间 的 矛 盾 。 4 综 上 所 述 , 计 算 机 的 存 储 系 统 是 采 用 了 存 储 器 的 分 层 结 构 , 而 不 只 是 依 赖 单 一 的 存 储 部 件 或 技 术 。 图 2-3 给 出 了 一 个 通 用 分 层 结 构 , 图 中 从 上 到 下 出 现 情 况 如 下 : 1每 位 的 价 格 降 低 ; 2容 量 增 大 ; 3存 取 时 间 增 大 ; 4cpu 存 取 存 储 器 的 频 度 降 低 。 图 2-3 存 储 器 分 层 结 构 因 此 , 较 小 、 较 贵 、 较 快 的 存 储 器 可 作 为 较 大 、 较 便 宜 、 较 慢 的 存 储 器 的 补 充 。 这 个 结 构 成 功 的 关 键 是 最 后 一 项 , 即 存 取 频 度 降 低 。 如 果 能 够 根 据 以 上 的 1到 3项 来 组 织 存 储 器 , 而 且 数 据 和 指 令 能 够 根 据 4分 布 在 存 储 器 中 , 很 显 然 , 这 个 方 案 在 保 证 给 定 的 性 能 水 平 的 情 况 下 能 降 低 总 体 价 格 。 下 面 用 一 个 简 单 的 例 子 来 说 明 这 一 点 。 假 设 cpu 能 够 存 取 二 级 的 存 储 器 , 第 1 级 包 含 1000 个 字 并 有 1 微 秒 的 存 取 时 间 , 第 2 级 包 含 1000000 个 字 并 有 10 微 秒 的 存 取 时 间 。 假 设 要 存 取 的 一 个 字 在 第 1 级 , 那 么 cpu 能 直 接 存 取 它 ; 假 设 它 在 第 2 级 , 则 这 个 字 首 先 传 到 第 1 级 , 然 后 再 由 cpu 存 取 它 。 为 了 简 化 , 不 考 虑 cpu 确 定 这 个 字 在 第 1 级 还 是 在 第 2 级 所 需 的 时 间 。 图 2-4 表 示 了 平 均 总 存 取 时 间 和 在 第 1 级 中 存 取 字 所 需 的 时 间 占 总 的 百 分 比 的 函 数 关 系 。 可 见 , 第 1 级 存 取 百 分 比 高 时 , 平 均 总 的 存 取 时 间 接 近 于 第 1 级 的 存 取 时 间 。 此 例 说 明 了 这 种 策 略 工 作 的 原 理 。 如 果 条 件 1到 4都 满 足 , 则 它 能 工 作 。 5 图 2-4 简 单 的 两 级 存 储 性 能 条 件 4有 效 的 基 础 是 访 问 局 部 性 原 理 。 在 程 序 执 行 过 程 中 , 处 理 器 访 问 存 储 器 中 的 指 令 和 数 据 倾 向 于 成 块 进 行 。 程 序 通 常 包 含 许 多 迭 代 循 环 的 子 程 序 , 一 旦 进 入 了 一 个 循 环 或 子 程 序 , 则 需 重 复 访 问 一 小 组 指 令 。 同 样 , 对 于 表 和 数 组 的 操 作 , 包 含 存 取 一 块 块 的 数 据 字 。 在 一 长 段 时 间 内 , 使 用 的 块 是 变 化 的 , 而 在 一 小 段 时 间 内 , 处 理 器 主 要 访 问 存 储 器 中 的 固 定 块 。 因 此 , 通 过 分 层 结 构 组 织 数 据 , 有 可 能 使 存 取 较 低 层 的 存 取 时 间 百 分 比 低 于 存 取 高 层 的 百 分 比 。 根 据 上 面 给 出 的 二 级 例 子 , 让 第 2 级 的 存 储 器 包 含 所 有 程 序 的 指 令 和 数 据 , 当 前 的 块 临 时 放 在 第 1 级 , 第 1 级 某 些 块 回 不 时 地 交 换 回 第 2 级 。 然 而 , 多 数 是 对 第 1 级 中 的 指 令 和 数 据 的 访 问 。 这 个 原 理 可 以 应 用 到 两 级 以 上 的 存 储 器 。 考 虑 如 图 2-3 所 示 的 分 层 结 构 , 最 快 、 最 小 和 最 贵 的 存 储 器 是 处 理 器 的 内 部 存 储 器 。 通 常 一 个 处 理 器 包 含 几 十 个 寄 存 器 , 虽 然 有 些 机 器 包 含 几 百 个 寄 存 器 。 向 下 跳 二 层 是 主 存 储 器 。 主 存 储 器 通 常 用 一 个 速 度 更 快 、 容 量 更 小 的 高 速 缓 存 来 扩 充 。 高 速 缓 存 是 透 明 的 , 它 在 主 存 和 处 理 器 寄 存 器 之 间 传 送 数 据 以 提 高 性 能 。 2.2 研 究 的 意 义 高 速 缓 冲 存 储 器 是 存 在 于 主 存 与 cpu 之 间 的 一 级 存 储 器 , 由 静 态 存 储 芯 片 (sram)组 成 , 容 量 比 较 小 但 速 度 比 主 存 高 得 多 , 接 近 于 cpu 的 速 度 。 在 计 算 机 存 储 系 统 的 层 次 结 构 中 , 介 于 中 央 处 理 器 和 主 存 储 器 之 间 的 高 速 小 容 量 存 储 器 。 它 和 主 存 储 器 一 起 构 成 一 级 的 存 储 器 。 高 速 缓 冲 存 储 器 和 主 存 储 器 之 间 信 息 的 调 度 和 传 送 是 由 硬 件 自 动 进 行 的 。 6 高 速 缓 冲 存 储 器 的 容 量 一 般 只 有 主 存 储 器 的 几 百 分 之 一 , 但 它 的 存 取 速 度 能 与 中 央 处 理 器 相 匹 配 。 根 据 程 序 局 部 性 原 理 , 正 在 使 用 的 主 存 储 器 某 一 单 元 邻 近 的 那 些 单 元 将 被 用 到 的 可 能 性 很 大 。 因 而 , 当 中 央 处 理 器 存 取 主 存 储 器 某 一 单 元 时 , 计 算 机 硬 件 就 自 动 地 将 包 括 该 单 元 在 内 的 那 一 组 单 元 内 容 调 入 高 速 缓 冲 存 储 器 , 中 央 处 理 器 即 将 存 取 的 主 存 储 器 单 元 很 可 能 就 在 刚 刚 调 入 到 高 速 缓 冲 存 储 器 的 那 一 组 单 元 内 。 于 是 , 中 央 处 理 器 就 可 以 直 接 对 高 速 缓 冲 存 储 器 进 行 存 取 。 在 整 个 处 理 过 程 中 , 如 果 中 央 处 理 器 绝 大 多 数 存 取 主 存 储 器 的 操 作 能 为 存 取 高 速 缓 冲 存 储 器 所 代 替 , 计 算 机 系 统 处 理 速 度 就 能 显 著 提 高 。 在 由 主 存 和 高 速 缓 存 组 成 的 存 储 器 层 次 结 构 中 , 主 存 是 多 处 理 机 共 享 , 而 高 速 缓 存 是 每 个 处 理 机 私 有 的 。 主 存 和 高 速 缓 存 都 以 块 为 单 位 进 行 划 分 , 以 映 射 的 方 式 来 检 索 。 映 射 的 方 法 有 直 接 映 射 、 组 关 联 映 射 、 区 段 关 联 映 射 和 全 相 联 映 射 。 在 主 存 和 高 速 缓 存 之 间 , 是 以 块 为 单 位 进 行 搬 送 。 主 存 中 保 存 有 各 高 速 缓 存 的 副 本 , 高 速 缓 存 的 目 录 中 , 存 放 相 应 主 存 的 块 号 及 一 些 标 志 。 通 过 对 目 录 的 检 索 来 寻 找 高 速 缓 存 中 的 数 据 。 当 处 理 机 发 出 一 个 访 问 主 存 地 址 时 , 如 果 包 含 这 个 地 址 在 内 的 模 块 在 高 速 缓 存 中 , 则 称 之 为 命 中 , 该 高 速 缓 存 可 以 使 用 。 如 果 不 在 高 速 缓 存 中 , 则 称 之 为 未 命 中 ( 或 cache 失 效 ) , 这 时 , 必 须 把 这 个 模 块 从 主 存 搬 到 高 速 缓 存 中 , 叫 做 块 搬 送 。 如 果 高 速 缓 存 已 满 , 则 必 须 按 一 定 的 置 换 算 法 挑 出 一 个 模 块 搬 出 高 速 缓 存 到 主 存 , 这 叫 置 换 。 置 换 算 法 有 fifo 算 法 , url 算 法 等 。 计 算 机 高 速 缓 存 系 统 的 发 展 为 计 算 机 设 计 者 提 出 了 一 个 重 要 课 题 : 数 据 在 cache( 高 速 缓 冲 存 储 器 ) 和 主 存 之 间 交 换 时 必 须 满 足 数 据 一 致 的 要 求 , 随 着 多 任 务 系 统 的 采 用 , 数 据 一 致 性 问 题 越 来 越 突 出 , 以 往 关 于 这 方 面 的 著 述 具 有 了 很 大 的 局 限 性 , 例 如 , 对 于 486 以 上 机 种 出 现 的 第 二 级 托 片 cache、 第 三 级 托 片 cache 如 何 保 存 数 据 一 致 的 问 题 尚 未 见 于 专 门 的 论 述 。 为 了 探 索 更 适 合 于 当 前 计 算 机 发 展 的 趋 势 , 必 须 适 时 追 溯 数 据 一 致 性 问 题 出 现 和 发 展 的 历 史 轨 迹 , 步 入 多 任 务 系 统 的 解 决 方 案 。 因 此 高 速 缓 存 系 统 中 能 否 确 保 高 速 缓 冲 存 储 器 和 主 存 内 容 一 致 性 , 这 个 问 题 直 接 关 系 到 整 个 计 算 机 系 统 的 性 能 。 对 于 计 算 机 整 体 性 能 的 提 升 有 十 分 重 要 的 意 义 。 7 3 数 据 一 致 性 问 题 的 提 出 高 速 缓 存 是 旨 在 改 善 存 储 器 平 均 响 应 时 间 的 小 型 快 速 存 储 器 , 它 在 系 统 中 位 于 微 处 理 器 和 主 存 之 间 , 使 得 系 统 从 cpu 看 具 有 cache 的 速 度 , 主 存 的 容 量 。 图 3-1 为 一 高 速 缓 冲 存 储 器 系 统 框 图 , 它 将 微 处 理 器 频 繁 向 主 存 请 求 的 代 码 和 数 据 予 以 拷 贝 。 图 3-1 高 速 缓 存 框 图 cachc 的 操 作 与 存 储 器 一 样 具 有 读 /写 两 种 模 式 , 其 中 读 操 作 主 要 局 限 在 不 命 中 时 更 新 cache 内 容 , 只 影 响 存 储 系 统 工 作 速 度 。 写 操 作 不 仅 工 作 时 间 比 读 操 作 长 , 而 且 更 新 主 存 内 容 , 直 接 影 响 机 器 性 能 , 据 李 学 干 、 苏 东 庄 在 计 算 机 系 统 结 构 一 书 中 借 典 型 程 序 的 统 计 可 知 , 所 有 访 存 中 约 有 10%34%甚 至 更 多 的 是 写 操 作 。 写 操 作 是 直 接 导 致 数 据 一 致 性 问 题 产 生 的 原 因 。 在 一 个 系 统 中 , 同 一 个 数 据 的 多 个 拷 贝 可 以 同 时 存 在 , 如 果 一 个 拷 贝 改 变 了 而 其 它 的 没 变 , 那 么 两 组 不 同 的 数 据 便 与 主 存 的 同 一 地 址 有 关 。 cache 必 须 包 含 一 个 更 新 系 统 以 防 止 老 数 据 (陈 旧 数 据 )被 使 用 , 即 解 决 一 致 性 问 题 。 分 析 产 生 数 据 一 致 性 问 题 的 原 因 主 要 有 三 个 : 1 同 样 一 个 数 据 可 能 既 存 于 cache 中 , 也 存 于 主 存 中 , 这 样 可 能 前 者 己 更 新 , 后 者 未 更 新 , 造 成 数 据 丢 失 。 2 在 有 dma 系 统 或 多 处 理 器 系 统 中 , 有 多 个 部 件 可 以 访 问 主 存 , 这 时 可 能 其 中 有 些 部 件 是 直 接 访 问 主 存 , 也 可 能 每 个 dma 部 件 和 每 个 处 理 器 配 一 个 cache, 这 样 主 存 的 一 块 区 域 可 能 对 应 于 多 个 cache 中 的 各 1 个 块 区 , 产 生 主 存 中 的 数 据 被 某 个 总 线 主 控 部 件 更 新 过 , 而 某 个 cache 中 的 内 容 未 更 新 , 造 成 cache 中 数 据 过 时 。 3 当 主 存 中 同 时 有 多 道 程 序 运 行 时 , cache 中 均 有 相 应 的 数 据 副 本 与 每 道 程 序 相 对 应 ; 对 于 共 享 数 据 , 每 道 程 序 都 有 各 自 的 cache 数 据 与 主 存 数 据 相 一 致 。 当 某 道 更 新 8 了 其 相 应 的 cache 数 据 和 主 存 数 据 , 而 其 它 程 序 的 cache 数 据 也 有 此 页 内 容 .则 其 内 容 不 会 改 变 (例 如 写 直 达 法 约 束 )。 这 道 程 序 再 次 读 到 的 内 容 就 会 因 是 原 先 的 内 容 而 出 错 。 写 策 略 是 cache 使 用 的 保 证 数 据 一 致 性 的 方 法 , 保 持 系 统 主 存 更 新 , 处 理 陈 旧 数 据 。 高 速 缓 存 一 致 性 是 指 要 求 同 一 个 信 息 项 与 后 继 存 储 器 层 次 上 的 副 本 是 一 致 的 。 如 果 在 高 速 缓 存 中 的 一 个 字 被 修 改 过 , 那 么 在 所 有 更 高 层 上 该 字 的 副 本 也 必 须 立 即 或 最 后 加 以 修 改 。 对 于 多 处 理 机 系 统 的 存 储 器 层 次 结 构 , 相 邻 层 之 间 和 同 层 之 间 可 能 会 出 现 数 据 不 一 致 性 。 比 如 某 个 处 理 机 修 改 了 该 处 理 机 的 cache 的 某 个 数 据 , 则 该 数 据 块 可 能 在 别 的 处 理 机 上 有 相 同 的 拷 贝 , 由 于 该 数 据 块 得 到 了 最 新 的 修 改 , 所 以 如 果 其 它 相 同 的 拷 贝 不 及 时 得 到 修 改 的 话 , 被 其 它 处 理 机 访 问 以 后 , 可 能 出 现 错 误 。 这 也 就 是 所 谓 的 cache 不 一 致 性 。 我 们 用 图 3-2 一 致 性 定 义 图 来 直 观 的 表 示 : 图 3-2 一 致 性 定 义 图 但 是 这 种 只 对 本 地 拷 贝 进 行 修 改 的 方 法 就 可 能 导 致 存 储 器 的 全 局 不 一 致 性 , 也 就 是 这 些 拷 贝 并 不 一 致 。 如 何 能 够 让 处 理 器 访 问 不 会 出 错 , 并 且 维 护 一 致 性 的 代 价 最 小 是 研 究 高 速 缓 存 一 致 性 和 同 步 机 制 的 主 要 研 究 课 题 。 9 4 基 于 不 同 原 因 的 写 策 略 解 决 方 案 4.1 基 于 原 因 1 的 解 决 办 法 原 因 1 导 致 的 数 据 一 致 性 问 题 是 建 立 在 cache 内 容 与 主 存 内 容 一 一 对 应 基 础 上 , 不 能 相 关 更 新 造 成 的 数 据 丢 失 , 解 决 方 法 首 先 解 决 cache 与 主 存 的 相 关 动 作 。 4.1.1 写直达 它 利 用 cache-主 存 贮 层 次 在 处 理 机 和 主 存 之 间 的 直 接 通 路 , 每 当 处 理 机 写 入 cache 的 同 时 , 也 通 过 此 通 路 直 接 写 入 主 存 。 从 而 主 存 随 时 跟 踪 cache 的 最 新 版 本 , 也 就 不 会 有 主 存 将 数 据 丢 失 的 问 题 但 缺 点 也 显 而 易 见 , 它 把 开 销 花 费 在 每 次 写 cache 时 就 有 对 主 存 的 写 入 , 造 成 总 线 活 动 繁 忙 。 4.1.2 写回发 这 种 方 法 是 在 cpu 执 行 写 操 作 时 , 信 息 只 写 入 cache, 仅 当 需 要 被 替 换 时 , 才 将 已 被 写 入 过 的 cache 块 先 送 回 主 存 , 然 后 再 调 入 新 块 。 cache-主 存 的 地 址 映 象 表 中 需 对 cache 中 每 个 块 设 置 一 个 “修 改 位 ”, 作 为 该 块 装 入 cache 后 是 否 被 修 改 过 的 标 志 , 只 要 修 改 过 , 就 使 该 标 志 位 置 成 “1”。 它 的 开 销 花 在 每 次 需 要 替 换 时 , 增 加 了 cache 的 复 杂 性 。 以 上 两 种 解 决 方 法 的 采 用 没 有 严 格 约 束 , 从 可 靠 性 讲 写 直 达 法 优 于 写 回 法 , cache 出 错 时 可 由 主 存 来 纠 错 。 而 写 回 法 因 有 效 块 只 在 cache 中 , 故 需 在 cache 中 采 用 纠 错 码 , 增 力 了 冗 余 信 息 ; 从 成 本 上 讲 , 写 回 法 低 于 写 直 达 法 , 写 直 达 法 要 花 费 大 量 缓 冲 器 和 其 它 辅 助 逻 辑 。 所 以 方 法 的 采 用 主 要 山 应 用 场 合 决 定 , 单 处 理 机 系 统 以 节 省 成 本 为 主 , 多 采 用 写 直 达 法 。 对 共 享 主 存 的 多 处 理 系 统 , 以 可 靠 性 为 主 , 多 采 用 写 直 达 法 。 4.2 基 于 原 因 2 的 解 决 办 法 原 因 2 是 由 于 主 存 区 块 更 新 而 cache 未 更 新 产 生 的 数 据 过 时 错 误 , 解 决 方 法 应 首 重 主 存 内 容 的 约 束 。 4.2.1 总线监视法 在 这 种 方 法 中 , 由 cache 控 制 器 随 时 监 视 系 统 的 地 址 总 线 , 如 其 它 部 件 将 数 据 写 到 主 存 , 并 且 写 入 的 主 存 区 块 正 好 是 cache 中 的 区 块 对 应 的 位 置 , 那 么 cache 控 制 器 会 自 动 将 cache 中 的 区 块 标 为 “无 效 ”。 10 4.2.2 硬件监视法 如 果 把 主 存 映 象 到 cache 的 区 块 称 为 已 映 象 区 块 , 硬 件 监 视 法 就 是 通 过 外 加 硬 件 电 路 , 使 cache 本 身 能 观 察 到 主 存 中 已 映 象 区 块 的 所 有 存 取 操 作 。 解 决 办 法 是 所 有 部 件 对 主 存 的 存 取 都 通 过 同 一 个 cache 完 成 或 每 个 部 件 配 备 各 自 的 cache, 当 一 个 cache 有 写 操 作 时 , 新 数 据 既 拷 贝 到 主 存 , 也 拷 贝 到 其 它 cache(播 写 法 )。 4.2.3 划出不可高速缓存存储区法 这 种 方 法 是 控 制 某 些 共 享 信 息 (如 信 号 灯 或 作 业 队 等
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 2026年副高电子在线模拟试题(含答案)
- 2026年方太文化模拟试卷目(含答案)
- 2026年氟化工艺模拟试题(含答案)
- 2026年情侣分手模拟题及答案详解
- 2026年护理英语模拟试题(含答案)
- 2026年茶艺基础考核模拟试题(含答案)
- 2026年10一级建造师市政工程模拟试题(含答案)
- 2026年风险合规管理(绿色金融)综合培训模拟试卷及答案详解
- 2026-2030年氘代溶剂行业营销策略调研及发展未来运行趋势报告
- 2026年人气事故模拟题及答案详解
- 低空空域资源的多主体协同利用与动态分配机制
- 《妇产科妇科手术诊疗指南及操作规范(2025版)》
- 新进员工消防培训
- 医疗废物法律法规课件
- 防雷安全隐患排查治理制度
- 药店冬季促销活动方案
- 2025届吉林省吉林市高三下学期10月一模考试-化学试题(含答案)
- 2025至2030年中国聚甲醛(POM)板材市场现状分析及前景预测报告
- 实物贵金属管理办法
- 临床试验医学经理核心能力体系
- 仓库三级安全教育培训
评论
0/150
提交评论