Coerência de Cache

MO601 - Arquitetura de Computadores II

http://www.ic.unicamp.br/~rodolfo/mo601

Rodolfo Azevedo - rodolfo@ic.unicamp.br

Por que precisamos de coerência de cache?

• Diferentes cores escrevem e leem dados da memória
• Dados são armazenados temporariamente na hierarquia de cache
• É importante que todas as leituras recebam o valor mais atualizado

Exemplos de hierarquia multicore

Conceitos básicos

• Cache inclusiva: Contém todos os valores dos níveis menores
  • Uma cache L2 inclusiva contém todos os dados de todas as L1 conectadas a ela
  • Se for necessário remover um dado dessa L2 (*evict), o dado também será removido da L1
• Compartilhamento falso: Duas caches editando partes distintas de um mesmo bloco
• Coerência: Todos os acessos a um mesmo bloco são visto na mesma ordem
• Consisência: Todos os acessos a blocos diferentes são vistos na mesma ordem

Protocolos

• Snooping: As caches espionam todas as transações do barramento e tomam atitudes
• Baseado em diretório: Utiliza uma localização central para rastrear todos os blocos de cache

Protocolos de diretório são mais escaláveis, embora mais complexos

Protocolo MSI

• Modified: um bloco de cache contém uma nova versão do dado
  • Apenas um bloco de cache pode estar nesse estado
• Shared: um bloco de cache contém uma versão do dado que pode ser compartilhado
  • Mais de um bloco de cache pode estar nesse estado
• Invalid: um bloco de cache não contém uma versão do dado ou a versão não é válida

Protocolo MSI em snooping em ação

Considerando uma cache com:

• Bloco de 16 bytes
• Protocolo MSI
• Snooping
• Valores de memória
• Sistema com 4 cores, L1 privada, L2 compartilhada
• Barramento de snooping entre L1 e L2

Diagrama do sistema

C0: READ(0);

C0: READ(0); C1: READ(0);

C0: READ(0); C1: READ(0); C2: READ(0); C3: READ(0);

C1: READ(16);

C1: READ(16); C2: WRITE(0, 5);

C1: READ(16); C2: WRITE(0, 5); C1: WRITE(16, 0)

C1: READ(16); C2: WRITE(0, 5); C1: WRITE(16, 0); C3: READ(16);

C0: WRITE(8, 0);

C0: WRITE(8, 0);

Diretório

• Ponto centralizado para todas as informações de coerência
• Normalmente é armazenado dentro da cache de último nível (LLC) quando ela é inclusiva
• Para caches particionadas (split-caches), os diretórios também são particionados
  • Normalmente as L3 são particionadas
  • No exemplo a seguir, utilizaremos a L2 por questões de espaço

Diagrama de uma cache particionada

Protocolo MSI em diretório em ação

Considerando uma cache com:

• Bloco de 16 bytes
• Protocolo MSI
• Diretório
• Valores de memória
• Sistema com 4 cores, L1 privada, L2 compartilhada
• Diretório na L2

Diagrama do sistema

C0: READ(0);

C0: READ(0); C1: READ(0);

C0: READ(0); C1: READ(0); C2: READ(0); C3: READ(0);

C2: WRITE(0, 5);

C2: WRITE(0, 5); C0: READ(4);

C2: WRITE(0, 5); C0: READ(4); C0: WRITE(4, 0);

Outros Protocolos

• MESI
  • Exclusive: bloco de cache possui o mesmo conteúdo que a memória e é a única cópia do dado
• MOSI
  • Owned: múltiplas caches podem possuir o mesmo valor mas somente uma está no estado Owned. Essa cache pode responder requisições de leitura das demais
• MOESI
  • Adiciona tanto Exclusive quanto Owned

Exercício: MESI

Exercício: MOSI

Exercício: MOESI