12、缓存与内存层次结构详解

缓存与内存层次结构详解

1. 缓存一致性协议概述

在并行系统中，为了确保各个处理器对内存的一致视图，缓存一致性协议起着至关重要的作用。主要有基于更新（update - based）和基于失效（invalidation - based）的协议。

基于更新的协议中，本地缓存总是包含内存位置最近写入的值，缓存控制器会直接执行更新操作。而基于失效的协议则是将对应内存块的缓存块置为无效，这样下次读取访问时必须先从主内存进行更新。

总线监听（bus snooping）技术最初用于直写（write - through）策略，它依赖于广播介质，使得每个缓存控制器能够观察所有的写访问，从而执行更新或失效操作。不过，对于较新的架构，如使用交叉开关（crossbars）或点对点网络（point - to - point networks）的架构，更新或失效操作变得更加复杂，因为处理器间的链路不是共享的，一致性协议必须使用广播来查找可能共享的内存块副本。同时，由于一致性协议，互连网络中会产生额外的流量，这可能会限制处理器的有效内存访问时间。而且，监听协议并不局限于直写缓存，也可应用于回写（write - back）缓存。

2. 回写失效协议（Write - back invalidation protocol）

回写失效协议中，每个缓存块可以处于以下三种状态：
- M（Modified，修改） ：表示缓存块包含内存块的当前值，并且该内存块在其他缓存或主内存中的所有其他副本均无效，即该块已在缓存中更新。
- S（Shared，共享） ：表示该缓存块在本缓存中未更新，且