计算机体系结构——多处理机系统

一、概述

重要概念

评估指标

通信延迟

通信延迟＝发送开销＋跨越时间＋传输延迟＋接收开销

跨越时间

数字信号从发送方的线路端传送到接收方的线路端所经过的时间。

传输时间

全部的消息量除以线路带宽。

多处理机的架构

根据多处理机系统中处理器个数的多少可将多处理机的类型分为
第一类为集中式共享存储器结构；
第二类为分布式存储器结构；
每一类代表了一种存储器的结构和互连策略。

二、分布式存储器多处理机系统

处理器的规模较大，存储器分布到各个处理器上，而非采用集中式。系统中每个结点包含了处理器、存储器、I／O以及互连网络接口。

分布式存储器架构的特征

将存储器分布到各结点有两个优点：
第一，如果大多数的访问是针对本结点的局部存储器，则可降低对存储器和互连网络的带宽要求。
第二，对局部存储器的访问延迟低。
分布式存储器结构最主要的缺点：
处理器之间的通信较为复杂，且各处理器之间访问延迟较大。

地址空间的组织方案

共享地址空间的机器

可利用load和store指令中的地址隐含地进行数据通信，因而可称为共享存储器机器。

(1) 与常用的集中式多处理机使用的通信机制兼容。
(2) 当处理器通信方式复杂或程序执行动态变化时，易于编程；同时在简化编译器设计方面占有优势。
(3) 当通信数据较小时，通信开销较低，带宽利用较好。
(4) 通过硬件控制的Cache减少了远程通信的频度，减少了通信延迟以及对共享数据的访问冲突。

多个地址空间的机器

根据简单的网络协议，通过传递消息来请求某些服务或传输数据，从而完成通信。因而这种机器常称为消息传递机器。

三、集中式存储的多处理机系统

由几个到几十个处理器构成的MIMD机器。各处理器通过大容量的Cache和总线互连，共享一个单独的物理存储器。又称为对称式共享存储器结构机器或者UMA机器。

支持对共享数据和私有数据的Cache缓存的优势

私有数据缓冲在Cache中降低了平均访存时间和对存储器带宽的要求，使程序的行为类似于单机。共享数据的Cache缓存可降低访存时间和对存储器带宽的要求，还可减少多个处理器同时读共享数据所产生的冲突。

四、多处理机间的数据一致性

多处理机存储系统一致性的特征

若一个存储系统满足以下三点，则称该存储系统是一致的。
(1) 处理器P对X单元进行一次写之后又对X单元进行读，读和写之间没有其他处理器对X单元进行写，则读的返回值总是写进的值。
(2) 一个处理器对X单元进行写之后，另一处理器对X单元进行读，读和写之间无其他写，则读X单元的返回值应为写进的值。
(3) 对同一单元的写是顺序化的，即任意两个处理器对同一单元的两次写，从所有处理器看来顺序都应是相同的。

跟踪共享数据状态的技术

决定了多处理机间数据交换的组织方式。

目录协议

用一种专用的存储器所记录的数据结构，它记录着可以进入Cache的每个数据块的访问状态、该块在各个处理器的共享状态以及是否修改过等信息。

目录的特征

目录是一种专用的存储器所记录的数据结构，记录着可以进入Cache的每个数据块的访问状态，详见下一节。
宿主结点：存放有存储器块和对应地址目录项的结点。
目录承担了一致性协议操作的主要功能：

发往一个目录的消息会产生两种不同类型的操作

更新目录状态
发送消息（从而能够）满足请求服务

目录项可能接收到三种不同的请求

读失效、写失效、数据写回

实现方式

在每个节点增加了目录存储器用于存放目录，cache的每一块在目录中对应有一项；
每一个目录项主要包含的状态：

1. 目录对应存储块当前状态：有无该块，块是否共享还是独占写状态

• 是否共享（shared）
  在一个或多个处理器上有这个块的拷贝，且主存中的值是最新值（所以Cache均相同）
• 未缓冲
  所有处理器的Cache都没有此块的拷贝。
• 修改位
  仅有一个处理器上有此块的拷贝，且已对此块进行了写操作，而主存的拷贝仍是旧的，这个处理器称为该块的拥有者。

2. 位向量，共有N（处理器的个数）位，每一位对应于一个处理器的局部Cache，用于指出该Cache中有无该存储块的拷贝。
   当此块被共享时，每个位指出与之对应的处理器是否有此块的拷贝；当此块为专有时，可根据位向量来寻找此块的拥有者

CPU请求时块的状态变化

1）当一个块处于未缓冲状态，对此块发出的请求及处理操作为：
读失效：将存储器数据送往请求方处理器，且本处理器成为此块的唯一共享节点，本块状态转为共享。
写失效：将存储器数据送往请求方处理器，此块成为调整为modified。
2）当一个块处于共享状态，mem中的数据是其当前最新值，对此块发出的请求及处理操作为：
读失效：将存储器数据送往请求方处理器，并将其纳入共享集合（在位向量中标记）。
写失效：将数据送往请求方处理器，对共享集合中所有的处理器发送写作废消息，且将共享集合置为仅含有此处理器，本块状态变为modified
3）当一个块处于modified状态，且本块最新值保存在共享集合指出的拥有者处理器中，对此块发出的请求及处理操作为：
读失效：将“取数据”消息发往拥有者处理器，使该块的状态变为共享，并将数据送回目录结点写入存储器，进而把该数据返送请求方处理器，将请求方处理器加入共享集合。
写失效：本块将有一个新的拥有者
数据写回：拥有者处理器的Cache要替换此块时必须将其写回，从而使存储器中有最新拷贝（宿主结点实际上成为拥有者），此块成为非共享，共享集合为空。

监听协议

当物理存储器中的数据块被调入Cache时，其共享状态信息与该数据块一起放在该Cache中。系统中没有集中的状态表。这些Cache通常连在共享存储器的总线上，各个Cache控制器通过监听总线来判断它们是否有总线上请求的数据块。

（1）小规模多处理机中实现写作废协议的关键利用总线进行作废操作，每个块的有效位使作废机制的实现比较容易。
（2）写直达Cache,因为所有写的数据同时被写回主存，则从主存中总可以取到最新的数据值。
（3）对于写回Cache（没有立刻更新）,得到数据的最新值会困难些，因为最新值可能在某个cache中，也可能在主存中。
（4）在写回Cache条件下的实现技术：
1）用Cache中块的标志位实现监听过程
2）给每个Cache块加一个特殊的状态位说明其是否为共享
3）因为每次总线任务均要检查Cache的地址位，这可能与CPU对Cache的访问冲突（因为一个Cache访问需要监听总线比对地址，CPU也要访问Cache，也要对地址进行操作；一边挂CPU一边挂总线，从而造成冲突）
通过下列两种技术之一降低冲突：
复制标志位（CPU操作一套，总线一套；并行操作）
采用多级包含Cache（每级Cache都有自己的标志位，CPU操作第一级Cache的标识，总线操作三级Cache的标识）

cache一致性协议

决定了在多处理机系统中某数据组织方式下实现cache一致性的准则。

写作废协议

在一个处理器写某个数据项之前保证它对该数据项有唯一的访问权。

写更新协议

当一个处理器写某数据项时，通过广播使其他Cache中所有对应的该数据项副本进行更新。

多处理机间的同步

原子操作

原子交换

可以一条指令完成。
将一个存储单元的值和一个寄存器的值进行交换，且交换是不可分的。
这个存储单元可以称为同步锁，假设0代表锁可用，1代表锁不可用；交换后可以表示存储单元的锁被寄存器所对应的进程占用

测试并置（test_and_set）

可以一条指令完成。
先测试一个值，如果符合条件则修改其值。（存储单元里对应的锁是0，读出来（测试）发现是0（满足条件），空闲，就占用这个锁；然后+1，修改其值）。

fetch and increment

可以一条指令完成。
返回存储单元的值并自动增加该值（读出来0自动加1）

lr和sc指令

两条指令完成。
先链取，再条件存——成功返回1，失败返回0，从第二条指令的返回值可以判断该指令对的执行是否成功，即如果取回来是0，则其他线程仍在占用，本线程占用失败；如果返回值是1 ，表示本线程占用成功。

实现多处理机的旋转锁

指处理器环绕一个锁不停地旋转而请求获得该锁。处理器环绕一个锁不停地旋转（测试）而请求获得该锁。当锁的占用时间很少以及加锁过程延迟很低时可采用旋转锁。
只要敢占这个锁，同步锁在这里同步的处理机进程数量很多的时候，自旋锁阻塞处理器，在循环中等待锁被释放，旋转锁开销会很大

栅栏同步

并行循环程序中一个常用的同步操作。
栅栏强制所有到达该栅栏的进程进行等待，直到全部的进程到达栅栏，然后释放全部的进程，从而形成同步。栅栏的典型实现是用两个旋转锁：一个用来记录到达栅栏的进程数，另一个用来封锁进程直至最后一个进程到达栅栏。