Coerența cache-ului

Coerența definește comportamentul citirilor și scrierilor în aceeași locație de memorie. Memoriile cache sunt coerente, dacă sunt îndeplinite toate condițiile următoare:

1. Atunci când un procesor P citește o locație X, după ce a scris în acea locație, P trebuie să primească valoarea pe care a scris-o, dacă niciun alt procesor nu a scris o altă valoare în acea locație. Acest lucru este valabil și pentru sistemele monoprocesor, ceea ce înseamnă că memoria este capabilă să păstreze o valoare scrisă.
2. Să presupunem că există două procesoare, P ₁și P₂, și că P₁ a scris o valoare X₁, iar ulterior, P a ₂scris o valoare X₂, dacă P ₁citește valoarea, trebuie să primească valoarea scrisă de P₂, X₂, și nu valoarea scrisă de el, X₁, dacă nu există alte scrieri între cele două. Aceasta înseamnă că vizualizarea memoriei este coerentă. În cazul în care procesoarele pot citi aceeași valoare veche după scrierea făcută de P₂, memoria nu ar fi coerentă.
3. Nu poate exista decât o singură scriere într-o anumită locație din memorie la un moment dat. Dacă există mai multe scrieri, acestea trebuie să aibă loc una după alta. Cu alte cuvinte, dacă locația X a primit două valori diferite A și B, în această ordine, de către oricare două procesoare, procesoarele nu pot citi niciodată locația X ca B și apoi să o citească ca A. Locația X trebuie să fie văzută cu valorile A și B în această ordine.

Aceste condiții sunt definite presupunând că operațiile de citire și scriere se efectuează instantaneu. Cu toate acestea, acest lucru nu se întâmplă în hardware-ul calculatoarelor din cauza latenței memoriei și a altor aspecte ale arhitecturii. Este posibil ca o scriere efectuată de procesorul X să nu fie văzută de o citire efectuată de procesorul Y dacă citirea se face într-un interval de timp foarte scurt după ce a fost efectuată scrierea. Modelul de consistență a memoriei definește momentul în care o valoare scrisă trebuie să fie văzută de o instrucțiune de citire ulterioară efectuată de celelalte procesoare.

• Mecanismele de coerență bazate pe directoare mențin un director central al blocurilor din memoria cache.

• Snooping este procesul prin care fiecare memorie cache monitorizează liniile de adrese pentru accesarea locațiilor de memorie care se află în memoria sa cache. Atunci când se observă o operațiune de scriere la o locație a cărei copie este deținută de o memorie cache, controlerul de memorie cache își invalidează propria copie a locației de memorie "snooped".

• Snarfing este situația în care un controler de memorie cache urmărește atât adresa, cât și datele în încercarea de a-și actualiza propria copie a unei locații de memorie atunci când un al doilea maestru modifică o locație din memoria principală.

Sistemele de memorie partajată distribuită imită aceste mecanisme, astfel încât să poată menține coerența între blocurile de memorie în sistemele slab cuplate.

Cele două tipuri cele mai comune de coerență care sunt studiate de obicei sunt Snooping și Directory-based. Fiecare dintre acestea are propriile beneficii și dezavantaje. Protocoalele Snooping tind să fie mai rapide, dacă este disponibilă o lățime de bandă suficientă, deoarece toate tranzacțiile sunt o cerere/răspuns văzută de toate procesoarele. Dezavantajul este că snooping-ul nu este scalabil. Fiecare cerere trebuie să fie transmisă tuturor nodurilor dintr-un sistem. Pe măsură ce sistemul devine mai mare, dimensiunea busului (logic sau fizic) și lățimea de bandă pe care o oferă trebuie să crească. Pe de altă parte, anuarele tind să aibă latențe mai mari (cu o cerere/trimitere/răspuns de 3 hopuri), dar utilizează mult mai puțină lățime de bandă, deoarece mesajele sunt transmise de la un punct la altul și nu sunt difuzate. Din acest motiv, multe dintre sistemele mai mari (>64 de procesoare) utilizează acest tip de coerență a cache-ului.