Coherencia de caché

Definición

La coherencia define el comportamiento de las lecturas y escrituras en la misma posición de memoria. Las cachés son coherentes, si se cumplen todas las condiciones siguientes:

1. Cuando un procesador P lee una ubicación X, después de escribir en esa ubicación, P debe obtener el valor que escribió, si ningún otro procesador escribió otro valor en esa ubicación. Esto también es cierto para los sistemas de monoprocesadores, significa que la memoria es capaz de mantener un valor escrito.
2. Supongamos que hay dos procesadores, P₁ y P₂ , y que P₁ escribió un valor X₁ , y después, P₂ escribió un valor X ₂, si P₁ lee el valor, debe obtener el valor escrito por P₂ , X₂ , y no el valor que escribió, X₁ , si no hay otras escrituras entre ambos. Esto significa que la vista de la memoria es coherente. Si los procesadores pueden leer el mismo valor anterior después de la escritura realizada por P , ₂la memoria no sería coherente.
3. Sólo puede haber una escritura en un lugar determinado de la memoria a la vez. Si hay varias escrituras, deben producirse una tras otra. En otras palabras, si la ubicación X recibió dos valores diferentes A y B, en este orden, por dos procesadores cualesquiera, los procesadores nunca pueden leer la ubicación X como B y luego leerla como A. La ubicación X debe verse con los valores A y B en ese orden.

Estas condiciones se definen suponiendo que las operaciones de lectura y escritura se realizan de forma instantánea. Sin embargo, esto no ocurre en el hardware de los ordenadores debido a la latencia de la memoria y a otros aspectos de la arquitectura. Una escritura del procesador X puede no ser vista por una lectura del procesador Y si la lectura se realiza en un tiempo muy pequeño después de la escritura. El modelo de consistencia de memoria define cuándo un valor escrito debe ser visto por una siguiente instrucción de lectura realizada por los otros procesadores.

Mecanismos de coherencia de la caché

• Los mecanismos de coherencia basados en directorios mantienen un directorio central de bloques en caché.

• El snooping es el proceso en el que cada caché supervisa las líneas de direcciones para los accesos a las ubicaciones de memoria que están en su caché. Cuando se observa una operación de escritura en una ubicación de la que la caché tiene una copia, el controlador de la caché invalida su propia copia de la ubicación de memoria fisgoneada.

• El snarfing es cuando un controlador de caché observa tanto la dirección como los datos en un intento de actualizar su propia copia de una ubicación de memoria cuando un segundo maestro modifica una ubicación en la memoria principal.

Los sistemas de memoria compartida distribuida imitan estos mecanismos para poder mantener la coherencia entre bloques de memoria en sistemas poco acoplados.

Los dos tipos de coherencia más comunes que se suelen estudiar son el Snooping y el basado en directorios. Cada uno tiene sus propias ventajas e inconvenientes. Los protocolos de snooping tienden a ser más rápidos, si se dispone de suficiente ancho de banda, ya que todas las transacciones son una petición/respuesta vista por todos los procesadores. El inconveniente es que el snooping no es escalable. Cada solicitud debe ser transmitida a todos los nodos del sistema. A medida que el sistema se hace más grande, el tamaño del bus (lógico o físico) y el ancho de banda que proporciona deben crecer. Los directorios, en cambio, suelen tener latencias más largas (con una solicitud/reenvío/respuesta de 3 saltos) pero utilizan mucho menos ancho de banda, ya que los mensajes son punto a punto y no se difunden. Por esta razón, muchos de los sistemas más grandes (>64 procesadores) utilizan este tipo de coherencia de caché.