Организация и принципы работы кэш-памяти

Управление работой кэш-памяти на уровне страниц

В элементах каталога страниц и таблиц страниц имеются 2 бита, которые применяются для управления выходными сигналами процессора и участвуют в кэшировании страниц.

Бит PCD запрещает ( PCD = 1 ) или разрешает ( PCD = 0 ) кэширование страницы. Запрещение кэширования необходимо для страниц, которые содержат порты ввода/вывода с отображением на память. Оно также полезно для страниц, кэширование которых не дает выигрыша в быстродействии, например, страниц, содержащих программу инициализации.

Бит PWT определяет метод обновления ОЗУ и внешней кэш-памяти (кэш 2-го уровня). Если PWT = 1, то для данных в соответствующей странице определяется кэширование со сквозной записью, при PWT = 0 применяется способ обратной записи. Используется в микропроцессорах начиная с Pentium. Так как внутренняя кэш-память в МП i486 работает со сквозной записью, состояние бита PWT на нее не влияет. Бит PWT в этом случае действует только на внешнюю КП.

Обеспечение согласованности кэш-памяти микропроцессоров в мультипроцессорных системах

Рассмотрим особенности работы кэш-памяти в том случае, когда одновременно несколько микропроцессоров используют общую оперативную память (рис. 4.4). В этом случае могут возникнуть проблемы, связанные с кэшированием информации из оперативной памяти в кэш-память микропроцессоров.

Рис. 4.4. Структура мультимикропроцессорной системы с общей оперативной памятью

Предположим, что МП А считал некоторую строку данных из ОЗУ в свою внутреннюю КП и изменил данные в этой строке в процессе работы.

Мы отмечали, что существует два основных механизма обновления оперативной памяти:

1. сквозная запись, которая подразумевает, что как только изменилась информация во внутренней кэш-памяти, эта же информация копируется в то же место оперативной памяти, и
2. обратная запись, при которой микропроцессор после изменения информации во внутреннем кэше отражает это изменение в оперативной памяти не сразу, а лишь в тот момент, когда происходит вытеснение данной строки из кэш-памяти в оперативную. То есть существуют определенные моменты времени, когда информация, предположим, по адресу 2000 имеет разные значения: микропроцессор ее обновил, а в оперативной памяти осталось старое значение. Если в этот момент другой микропроцессор (МП В), использующий ту же оперативную память, обратится по адресу 2000 в ОЗУ, то он прочитает оттуда старую информацию, которая к этому времени уже не актуальна.

Для обеспечения согласованности (когерентности) памяти в мультипроцессорных системах используются аппаратные механизмы, позволяющие решить эту проблему. Такие механизмы называются протоколами когерентности кэш-памяти. Эти протоколы призваны гарантировать, что любое считывание элемента данных возвращает последнее по времени записанное в него значение.

Существует два класса протоколов когерентности:

• 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);
• 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 шине, и контроллеры всех кэшей наблюдают за шиной (просматривают ее), чтобы определять, какие обращения по адресам в пределах этого блока происходят со стороны других микропроцессоров.

В мультипроцессорных системах с общей памятью наибольшей популярностью пользуются протоколы наблюдения, поскольку для опроса состояния кэшей они могут использовать уже существующее физическое соединение - шину памяти.

Для поддержания когерентности применяется два основных метода.

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 invalidate 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.

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 ).

Эти две схемы во многом похожи на схемы работы кэш-памяти со сквозной и с обратной записью. 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.

Рассмотрим один из наиболее распространенных протоколов, обеспечивающих согласованную работу кэш-памяти нескольких микропроцессоров и основной памяти в мультимикропроцессорных системах, протокол MESI, который относится к группе протоколов наблюдения с аннулированием. Будем знакомиться с ним на примере двухпроцессорной системы, состоящей из микропроцессоров A и B.

Этот протокол использует 4 признака состояния строки кэш-памяти микропроцессора, по первым буквам которых и называется протокол:

• измененное состояние ( Modified ): информация, хранимая в кэш-памяти микропроцессора А, достоверна только в этом кэше; она отсутствует в оперативной памяти и в кэш-памяти других микропроцессоров;
• исключительная копия ( Exclusive ): информация, содержащаяся в кэше А, содержится еще только в оперативной памяти;
• разделяемая информация ( Shared ): информация, содержащаяся в кэше А, содержится в кэш-памяти по крайней мере еще одного МП, а также в оперативной памяти;
• недостоверная информация ( Invalid ): в строке кэш-памяти находится недостоверная информация.

Таким образом, состояние признаков потокола MESI отражает следующие состояния (по отношению к МПА) строки кэш-памяти (табл. 4.2):

При работе микропроцессора А с точки зрения обеспечения когерентности памяти возможны следующие ситуации:

• RH ( Read Hit ) - кэш-попадание при чтении;
• WH ( Write Hit ) - кэш-попадание при записи;
• RME ( Read Miss Exclusive ) - кэш-промах при чтении;
• RMS ( Read Miss Shared ) - кэш-промах при чтении, но соответствующий блок есть в кэш-памяти другого микропроцессора;
• WM ( Write Miss ) - кэш-промах при записи;
• SHR ( Snoop Hit Read ) - обнаружение копии блока при прослушивании операции чтения другого кэша;
• SHW ( Snoop Hit Write ) - обнаружение копии блока при прослушивании операции записи другого кэша.

Наибольший интерес здесь представляют две последние позиции.

Современные микропроцессоры имеют двунаправленную шину адреса.

Выдавая информацию на эту шину, микропроцессор адресует ячейки оперативной памяти или устройства ввода-вывода. В силу того, что в рассматриваемой мультипроцессорной системе микропроцессоры связаны общей шиной, в том числе и шиной адреса, принимая информацию по адресным линиям, микропроцессор определяет, было ли обращение по адресам, содержащимся в его кэш-памяти, со стороны других микропроцессоров. При обнаружении такого обращения меняется состояние строки кэш-памяти микропроцессора.

Изменения признака состояния блока кэш-памяти МП в зависимости от различных ситуаций в его работе и работе мультимикропроцессорной системы в целом представлены на рис. 4.5.

Рис. 4.5. MESI-диаграмма обеспечения когерентности кэш-памяти

Проиллюстрируем некоторые из представленных переходов.

Пусть блок кэш-памяти находится в состоянии Modified, то есть достоверная информация находится только в кэш-памяти данного МП. Тогда в случае обнаружения при прослушивании адресной шины обращения со стороны другого микропроцессора для чтения информации по входящим в данную строку адресам микропроцессор должен передать эту строку кэшпамяти в ОЗУ, откуда она уже будет прочитана другим микропроцессором.

При этом состояние строки в кэш-памяти рассматриваемого микропроцессора изменится с модифицированного на разделяемое ( Shared ).

Если строка кэш-памяти находилась в состоянии Invalid, то есть информация в ней была недостоверной, то по отношению к этой строке следует рассматривать только ситуации, связанные с кэш-промахами. Так, если произошел кэш-промах при выполнении операции записи, то необходимая строка будет занесена в кэш-память данного МП, в эту строку будут записаны измененные данные, и она приобретет статус исключительного владельца новой информации ( Modified ).

Краткие итоги. В лекции рассмотрены общие принципы функционирования кэш-памяти микропроцессора, организация кэш-памяти с прямым отображением, полностью ассоциативной и множественно-ассоциативной КП. Рассмотрены основные механизмы обновления оперативной памяти: кэширование со сквозной и с обратной записью. Представлена организация внутренней кэш-памяти микропроцессора. Разобраны способы обеспечения согласованности кэш-памяти микропроцессоров в мультипроцессорных системах.