發(fā)布時間：2019-08-14 16:59

【摘要】：在CC-NUMA架構(gòu)系統(tǒng)中,為了減少緩存一致性維護的開銷,大規(guī)模CC-NUMA系統(tǒng)通常采用多級緩存一致性域設(shè)計,降低平均一致性維護操作數(shù)量,從而有效緩解系統(tǒng)性能擴展與一致性維護開銷的矛盾.傳統(tǒng)的MESI,MESIF,MOESI協(xié)議主要是針對單級一致性域優(yōu)化設(shè)計,并且沒有考慮到大型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用中查詢(數(shù)據(jù)讀訪問)業(yè)務(wù)量占據(jù)主導(dǎo)地位的特點,故該類一致性協(xié)議在多級緩存一致性域場景下存在著跨域操作頻度高、執(zhí)行效率低等缺點.針對上述問題,提出了一種基于共享轉(zhuǎn)發(fā)態(tài)的多級緩存一致性協(xié)議MESI-SF.該協(xié)議創(chuàng)建了一個共享轉(zhuǎn)發(fā)態(tài)Share-F,允許多個一致性域內(nèi)同時存在遠端數(shù)據(jù)副本的可讀可轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài),從而能夠為同一域內(nèi)同地址的讀請求直接提供共享數(shù)據(jù),有效減少了跨域操作,提升系統(tǒng)性能.SPLASH-2程序集模擬結(jié)果表明,對于兩級Cache一致性域系統(tǒng),相比MESI協(xié)議,MESI-SF能夠減少23.0%跨結(jié)點訪問次數(shù),指令平均執(zhí)行周期數(shù)(cycles per instruction,CPI)降低7.5%;相比MESIF協(xié)議,MESI-SF能夠減少12.2%跨結(jié)點訪問次數(shù),指令平均執(zhí)行周期數(shù)降低5.95%.
【圖文】：

１研究背景與動機ＣＣ－ＮＵＭＡ系統(tǒng)是一種典型的分布式共享內(nèi)存多處理器系統(tǒng)．具有兩級Ｃａｃｈｅ一致性域的ＣＣ－ＮＵＭＡ系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖１所示．在圖１中，系統(tǒng)的ｎ個結(jié)點通過域間網(wǎng)絡(luò)互連，其中每個結(jié)點內(nèi)的處理器和一致性協(xié)同芯片構(gòu)成了結(jié)點內(nèi)Ｃａｃｈｅ一致性域，，而結(jié)點間通過一致性協(xié)同芯片互連構(gòu)成了結(jié)點間Ｃａｃｈｅ一致性域．Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｍｕｌｔｉｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓｙｓｔｅｍｓｗｉｔｈｍｕｌｔｉｐｌｅｃｌｕｍｐｓ（ｅａｃｈｃｌｕｍｐｃｏｎｔａｉｎｓｔｗｏＣＰＵｓ）圖１多結(jié)點多處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（每結(jié)點含２個ＣＰＵ）多級Ｃａｃｈｅ一致性域系統(tǒng)通常采用多級Ｃａｃｈｅ一致性協(xié)議．ＭＥＳＩ協(xié)議［４］是一種被廣泛采用的Ｃａｃｈｅ一致性協(xié)議，它定義了４種數(shù)據(jù)狀態(tài)，包括：１）Ｍ（ｍｏｄｉｆｉｅｄ）態(tài)．Ｍ態(tài)為修改態(tài)，表明該緩存數(shù)據(jù)被修改，與內(nèi)存中的數(shù)據(jù)內(nèi)容不一致，為整個系統(tǒng)的唯一最新副本．２）Ｅ（ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ）態(tài)．Ｅ態(tài)為獨占態(tài)，表明當(dāng)前副本為該緩存數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的唯一副本，并且未被修改，與內(nèi)存中的數(shù)據(jù)內(nèi)容一致．３）Ｓ（ｓｈａｒｅｄ）態(tài)．Ｓ態(tài)為共享態(tài)，表明該數(shù)據(jù)在一個或多個處理器中有副本，而且副本數(shù)據(jù)未被修改，與內(nèi)存中的數(shù)據(jù)內(nèi)容一致．４）Ｉ（ｉｎｖａｌｉｄ）態(tài)．Ｉ態(tài)為無效態(tài)，表明ＣＰＵ中該緩存數(shù)據(jù)已經(jīng)失效，對其緩存行可直接覆蓋替換而不需要執(zhí)行緩存一致性操作．在ＭＥＳＩ協(xié)議中，當(dāng)有處理器請求讀共享數(shù)據(jù)時，需要通過向數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存發(fā)出請求從而才能得到該共享數(shù)據(jù)．Ｉｎｔ

Ｆｉｇ．２Ｄｉａｇｒａｍｓｏｆｄａｔａｒｅｑｕｅｓｔｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｖｉｓｉｔｉｎｇｒｅｍｏｔｅｃｌｕｍｐｓ圖２訪問遠端結(jié)點數(shù)據(jù)請求流程圖的多級緩存一致性協(xié)議，試圖緩解上述存在問題，以期減少跨結(jié)點訪問頻度，降低數(shù)據(jù)訪問延遲，提升系統(tǒng)性能．２一種基于共享轉(zhuǎn)發(fā)態(tài)的多級緩存一致性協(xié)議本文提出的多級緩存一致性協(xié)議ＭＥＳＩ－ＳＦ，在ＭＥＳＩ協(xié)議的基礎(chǔ)上，引入了共享轉(zhuǎn)發(fā)態(tài)Ｓｈａｒｅ－Ｆ．Ｓｈａｒｅ－Ｆ的基本思想是通過在兩級Ｃａｃｈｅ一致性域或多級Ｃａｃｈｅ一致性域ＣＣ－ＮＵＭＡ系統(tǒng)中的局部域（如結(jié)點內(nèi)Ｃａｃｈｅ一致性域）對同地址Ｓ狀態(tài)的緩存數(shù)據(jù)在每個Ｃａｃｈｅ一致性域內(nèi)均構(gòu)造一個Ｓｈａｒｅ－Ｆ狀態(tài)，Ｓｈａｒｅ－Ｆ狀態(tài)的緩存數(shù)據(jù)可對同一域內(nèi)的讀請求直接提供共享數(shù)據(jù)．本方法在不違反全局Ｃａｃｈｅ一致性協(xié)議規(guī)則基礎(chǔ)上可降低處理器跨結(jié)點訪存頻度和開銷，提升ＣＣ－ＮＵＭＡ系統(tǒng)性能．不失一般性，在本文的后續(xù)討論中，將以兩級Ｃａｃｈｅ一致性域為例進行說明．多級Ｃａｃｈｅ一致性域可以看作是兩級Ｃａｃｈｅ一致性域的擴展．本文提出的方法適用于多級Ｃａｃｈｅ一致性域．ＭＥＳＩ－ＳＦ協(xié)議包含了ＭＥＳＩ協(xié)議中的４種狀態(tài)，這４種狀態(tài)的定義和相互之間的轉(zhuǎn)換與ＭＥＳＩ協(xié)議相同．下面重點對本文提出的Ｓｈａｒｅ－Ｆ狀態(tài)進行介紹．Ｓｈａｒｅ－Ｆ狀態(tài)適用于結(jié)點內(nèi)Ｃａｃｈｅ一致性域處于Ｓ狀態(tài)的緩存數(shù)據(jù)．具體地，在同一個域內(nèi)，當(dāng)存在同地址狀態(tài)為Ｓ的緩存數(shù)據(jù)時，可為其中的緩存數(shù)據(jù)在域內(nèi)構(gòu)造唯一一個Ｓｈａｒｅ－Ｆ狀態(tài)．Ｓｈａ
【作者單位】： 高效能服務(wù)器和存儲技術(shù)國家重點實驗室(浪潮集團有限公司);
【基金】：國家“八六三”高技術(shù)研究發(fā)展計劃基金項目(2013AA011701)~~
【分類號】：TP332

【參考文獻】

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【共引文獻】

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本文編號：2526683