基于目录的一致性协议浅析

分布式共享存储体系结构是当今并行计算机的主要发展方向.在注重性能指标的多处理器系统中通常采用硬件手段解决高速缓存一致性问题.高速缓存的一致性设计成为共享存储多处理器系统的关键技术,直接关系到系统的性能、正确性和可用性.该文介绍几种典型的基于目录的一致性协议,并分析共享存储器多处理器系统中一致性协议的实现技术.     

适用于多核环境的混合Cache一致性协议

提出一种适用于多核环境的混合Cache一致性协议。该协议采用混合值传播策略,引入小容量目录D-Cache,克服传统监听一致性协议发送数据请求时盲目广播的缺点,通过数据块状态的扩展,有效避免乒乓现象的发生。仿真实验结果表明,该协议能减少测试程序的运行时间,降低多核处理器私有L1 Cache的失效率,提高系统性能。     

环连接CMP的缓存一致性协议

片上多核处理器(CMP)已经成为处理器发展的方向,处理器设计的重点也转到了互连网络和存储层次结构方面,其中的一个关键问题是如何维护各处理器各级缓存(Cache)的一致性,该问题在传统的共享存储多处理器中使用Cache一致性协议来解决,而CMP相对于传统的多处理器结构具有更高的片上互连带宽和速度,给Cache一致协议提出了新的要求,也提供了新的改进机会.传统的总线侦听协议存在可扩展性不足和不必要的广播、侦听过多的缺点,而目录协议则存在失效间接延时大和复杂度高、验证困难等问题.环形连接的可扩展性好于总线结构,而其实现复杂度也远小于通常目录协议所使用的包交换点到点网络.将基于环的侦听协议应用于CMP;并考虑利用环的顺序性取消原有协议中冲突引起的重发操作,消除可能的饥饿、死锁和活锁等情况,增加协议的稳定性,同时减少消息流量和功耗;利用片上互连延时短的特点,将侦听结果和侦听请求同时传播,使得处理器可以根据侦听结果来对侦听请求进行选择性的侦听操作,可减少不必要的侦听操作,降低功耗.     

RCC高速缓存一致性协议的带参验证

Godson-T众核处理器的RCC高速缓存一致性协议是一种非常有特色的带参并发系统,对此协议的带参验证是一个很大的挑战。 Cubicle是最近出现的基于SMT求解器的带参模型检测工具。我们使用了Cubicle带参模型检测工具,成功对RCC协议进行了建模和验证。实验结果表明, RCC协议在结点个数为任意规模时均满足协议的各种安全性质。     

多核处理器Cache一致性协议关键技术研究

多核处理器规模的不断扩大和核间通信机制的日益复杂,使得Cache一致性维护变得更加困难。本文从多核处理器Cache一致性问题的产生背景出发,分析监听协议、目录协议、Token协议和Hammer协议的实现机制以及在多核环境中的优缺点,分别从一致性协议与片上互连结构协同设计、面向低功耗应用的协议优化策略、Cache一致性协议验证及容错机制等角度考虑,对未来多核处理器Cache一致性协议设计的发展趋势和技术挑战进行详细分析与讨论。     

硬件结构支持的基于同步的高速缓存一致性协议

共享存储系统中如何高效地实现高速缓存一致性是体系结构设计面临的一个关键问题和难点问题.已有的基于目录的协议存在难于实现、验证复杂和存储空间开销大等问题.面向片上众核处理器,文中提出一种由硬件结构支持、基于同步的高速缓存一致性协议.该方案不使用目录,而是通过使用bloom-filter表示一致性信息,并在并行程序中的同步点维护高速缓存一致性.与现有的基于目录的高速缓存一致性协议相比,该方案可以降低目录协议的实现、验证复杂度.用SPLASH一2测试程序集评估表明,基于同步的协议可以获得与基于目录的协议相当的性能.     

Evaluation of a Competitive-Update Cache Coherence Protocol with Migratory Data Detection

Although directory-based write-invalidate cache coherence protocols have a potential to improve the performance of large-scale multiprocessors, coherence misses limit the processor utilization. Therefore, so-called competitive-update protocols—hybrid protocols that on a per-block basis dynamically switch between write-invalidate and write-update—have been considered as a means to reduce the coherence miss rate and have been shown to be a better coherence policy for a wide range of applications. Unfortunately, such protocols may cause high traffic peaks for applications with extensive use of migratory objects. These traffic peaks can offset the performance gain of a reduced miss rate if the network bandwidth is not sufficient. We propose in this study to extend a competitive-update protocol with a previously published adaptive mechanism that can dynamically detect migratory objects and reduce the coherence traffic they cause. Detailed architectural simulations based on five scientific and engineering applications show that this adaptive protocol outperforms a write-invalidate protocol by reducing the miss rate and bandwidth needed by up to 71 and 26%, respectively.     

面向多核处理器的可配置缓存一致性协议设计与实现

多核处理器需要维护缓存的一致性问题.基于目录的一致性协议具有较好的扩展性、较低的延迟,应用较多.分布式目录访问带宽高、目录查询速度快、物理实现灵活.分布式目录一致性协议设计复杂度高,验证困难,为了降低自主CPU研发和产业化的风险,提出了一种面向多核处理器的可配置分布式目录控制单元(configurable distribute directory unit, CDDU),通过微操作机制,实现动态配置缓存一致性协议.该设计增加了多核系统缓存一致性协议的灵活性与容错性,可以实现协议状态转换和协议流程的配置,能够解决由于一致性协议设计缺陷导致的功能故障,可以防止一致性协议设计不足引起的死锁.测试结果表明：设计方案展现了良好的可配置性、可扩展性,避免了死锁产生,代价是少量的性能损耗以及面积开销.主要思想在自主飞腾64核处理器中进行了实现,为确保处理器的协议正确性发挥了重要作用,同时在该芯片的多路扩展实现过程中提高了协议的鲁棒性,消除了潜在的死锁.     

基于不变量查找的German协议验证

提出了一种通过查找缓存一致性协议不变量来验证带参协议正确性的新方法.缓存一致性协议验证的难点在于必须证明协议对于任意大小的带参系统都成立.我们通过寻找不变量和协议规则之间的对应关系来计算辅助不变量,从而帮助推导验证缓存一致性协议.我们设计实现了一个不变量查找工具并将该工具应用到German协议上计算它们的辅助不变量并成功地验证了协议的安全性质.     

一种带偏置的基于相关性分析的Cache一致性协议验证方法

Cache一致性协议作为CC-NUMA系统的硬件基础,在CC-NUMA系统的设计过程中占有举足轻重的地位。对于复杂的CC-NUMA系统,由于其Cache一致性协议十分复杂,通常难以进行形式化验证,而常规的伪随机模拟又存在验证效率低下的问题。本文提出了一种对复杂CC-NUMA系统中Cache一致性协议进行模拟验证的方法。该方法通过对验证覆盖目标进行相关性分析,使用偏置技术对传统伪随机模拟验证方法进行了改进。实际验证结果表明,改进后的方法使得模拟验证覆盖率的增长速率有了明显提高。     

片上多核处理器Cache一致性协议优化研究综述

现代晶体管技术在单芯片上集成多个处理器已经成为现实.近年来,随着多核处理器集成核数的不断增加,高速缓存的一致性问题凸显出来,已成为多核处理器的性能瓶颈之一,亟待解决.本文介绍了片上多核处理器一致性问题的由来.总结了多核时代高速缓存一致性协议设计的关键问题,综述了近年来学术界对一致性的研究.从程序访存行为模式、目录组织结构、一致性粒度、一致性协议流量、目录协议的可扩展性等方面,阐述了近年来缓存一致性协议性能优化的方向.对目前片上多核处理器缓存一致性协议设计中存在的问题进行了讨论,并指出了未来进一步研究的方向.     

一种MPP机Cache一致性协议的设计与实现

Ｃａｃｈｅ一致性技术是大规模并行处理计算机系统中的关键技术之一。本文构造了一个典型的ＭＰＰ模型，在此基础上阐述了系统对Ｃａｃｈｅ一致性协议的支持，并给出了具体的实现方案。     

An Advanced Communication Protocol for the Proposed IEEE 896 Futurebus

With its asynchronous protocol, the proposed IEEE 896 Futurebus achieves an extended design life, unequaled performance, and unprecedented flexibility. Its design eliminates many of the problems traditionally associated with multimicroprocessor system buses.     

Extending the TokenCMP Cache Coherence Protocol for Low Overhead Fault Tolerance in CMP Architectures

It is widely accepted that transient failures will appear more frequently in chips designed in the near future due to several factors such as the increased integration scale. On the other hand, chip-multiprocessors (CMP) that integrate several processor cores in a single chip are nowadays the best alternative to more efficient use of the increasing number of transistors that can be placed in a single die. Hence, it is necessary to design new techniques to deal with these faults to be able to build sufficiently reliable chip multiprocessors (CMPs). In this work, we present a coherence protocol aimed at dealing with transient failures that affect the interconnection network of a CMP, thus assuming that the network is no longer reliable. In particular, our proposal extends a token-based cache coherence protocol so that no data can be lost and no deadlock can occur due to any dropped message. Using GEMS full system simulator, we compare our proposal against TokenCMP. We show that in absence of failures our proposal does not introduce overhead in terms of increased execution time over TokenCMP. Additionally, our protocol can tolerate message loss rates much higher than those likely to be found in the real world without increasing execution time more than 15 percent.     

Godson-T缓存一致性协议的Murphi建模和验证

Godson-T缓存一致性协议是用于Godson-T众核处理器的缓存一致性协议．在Godson-T协议中,缓存一致性协议和存储一致性模型存在紧密的紧耦合关系,分析协议的一致性时发现该协议满足的缓存一致性不是强一致性,不满足传统意义上缓存透明的一致性要求．我们选取了Murphi模型检测工具作为我们建模的语言和验证工具．在对Godson-T缓存一致性协议建模的时候,由于协议的上述特点,我们需要对处理器核结点,高速缓存和内存作为一个整体建模,并成功地验证了协议的相关性质．     

基于总线侦听Cache一致性协议算法与实现

以共享总线的多处理机系统为例,本文介绍了在共享总线系统中用于解决Cache问题的侦听总线一致性协议,并基于总线侦听Cache一致性协议的优点和协议区分状态的原因,给出了一个评价协议好坏的角度:总线的流量和存储器访问的有效时间,最后给出了基于总线侦听Cache一致性协议算法与实现.     

基于流分析与归纳不变式结合的German协议验证

German缓存一致性协议是用于共享内存的并发多处理器系统中的缓存一致性协议,对German协议进行形式化验证一直是学术界和工业界的热点.我们生成German协议的流图,对流程图的各个步骤进行详细的描述,并提出了流分析与归纳不变式结合对协议验证的方法,通过辅助不变式与协议流图的对应关系,从而进一步分析和验证German协议的正确性.     

一种高效SMP Cache一致性协议及其实现技术的研究

结点控制器是并行多处理机计算机系统设计中除CPU外的最复杂部件,随着设计工艺水平的提高,它的功能也日益增多。文章将深入介绍SMP多处理机系统结点控制器设计中的一种高效Cache一致性协议以及实现方面的关键技术。     

基于目录的Cache一致性协议的可扩展性研究

基于CC-NUMA结构的DSM多处理器系统是大规模高性能并行计算机的一个实现方式,由于比监听协议具有更好的扩展性,系统多采用基于目录的Cache一致性协议。但是,随着系统规模的不断扩大,目录协议同样面临着可扩展性的问题。本文在分析影响目录协议可扩展性因素的基础上,对当前比较典型的几种目录组织形式从存储开销方面进行了讨论,最后提出了基于目录Cache的两级目录组织方案。