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第 11 卷第 1 期 信息技术快报 Vol.11 No.1 Information Technology Letter Jan. 2013 商用多核处理器中的存储器一致性模型 与高速缓存同一性协议 周君 唐士斌 1 引言 当前，人类对各类计算技术的需求越来越多。电子及微电子技术作为其中的排头兵，受 到学术界和工业界高度关注。在单芯片上集成更多数量的晶体管，可以在单芯片上获得更复 杂的功能和更高的性能。然而，由于受到芯片中信号传播速度和加工工艺的限制，依赖于高 频率的单处理器芯片的运算性能难以进一步提升。为此，充分挖掘程序中指令级并行的超标 量技术在处理器设计中得到广泛使用。然而，超标量处理器的资源利用率不高，并会随着指 1 令发射宽度的增加进一步加剧片上资源的浪费；另一方面，超标量结构的设计与验证复杂度 v 随着设计规模的增长呈超线性趋势上升。因此，在超标量技术提供技术进步的能力难以为继 3 3 的情况下，为了有效利用片上的资源，多核结构作为一种挖掘处理器并行性能的技术，逐步 2 占据了当前微处理器设计领域的主导地位。相对于超标量处理器，多核处理器在性能上有 0 50%-100%的提升[1] 。 0 . 3 多处理器系统存在多种组织方式，可以分为共享存储结构和非共享存储结构[2]，前者对 0 7 系统内存进行统一编址，进程可以直接访问本地节点和其他节点主存中的数据。非共享存储 1 结构也可以共享主存，但是对于非本地节点的主存不能直接访问，需通过软件辅助间接访问， 0 时间开销较大。共享存储的多处理器系统还可以分为集中式共享存储结构和分布式共享存储 2 结构[3] 。其中集中式共享存储结构又称为均匀访存延迟的存储结构（UMA ），又可分为并行 : v i 向量处理机（PVP ）和对称多处理器系统（SMP ）。分布式共享存储结构包括非均匀访存延 X 迟的存储结构（NUMA ）和无远程访问结构（NORMA ）。 a n 在共享存储的多处理器系统中，保障存储器一致性（Consistency ）和高速缓存（Cache ） i h 同一性（Coherency ）是两大关键技术。前者规定了访问其他存储器地址的时间关系，是用 c 户和系统之间的合同或者协议，用以确保多个处理器看到的存储器视图是一致的；后者定义 了访问同一存储器的空间关系，目的是使主存中数据的备份保持最新。二者在多处理器系统 中举足轻重，不仅直接决定系统的正确性，并且对系统的规模和性能有至关重要的影响。 本文将就多核处理器中的存储器一致性模型和高速缓存同一性协议分别作简要描述，并 重点介绍与分析当前几种典型的商用处理器在以上两方面的技术进展情况。 2 存储器一致性 2.1 存储器一致性的基本概念 共享存储系统中的存储器一致性模型是一份软件程序员与系统实现的契约，该契约规定 了系统执行的访存操作如何展现给程序员。程序编写过程中，为了得到预期的结果，程序员 需要考虑存储器一致性模型对访存操作顺序的影响。因此，存储器一致性模型影响了可编程 性。此外，存储器一致性模型对访存操作顺序的限制约束了底层的具体实现（例如：是否允 许乱序？是否保证写原子性等等），因此，存储器一致性模型同时也影响了系统的性能。存 1