片上嵌入式多處理器的一致性機(jī)制設(shè)計(jì)

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　　目前，大多數(shù)高端嵌入式SoC都屬于異質(zhì)芯片在單純地提高時(shí)鐘速度的方法退出主流之后，保持這種單線程的編程抽象，迫使通用的單處理器設(shè)計(jì)工程師采用雙處理器或四處理器的一致性系統(tǒng)(coherent system)。具有豐富軟件的高性能嵌入式系統(tǒng)也是如此，只是情況稍有不同。

　　這些SoC中的處理器通過(guò)非一致性(noncoherent)共享內(nèi)存，以某種形式的消息傳遞進(jìn)行通訊。在第三代蜂窩電話中，通過(guò)雙端口SRAM和中斷進(jìn)行通訊的經(jīng)典RISC/DSP組合，就是這些簡(jiǎn)單機(jī)制的一個(gè)很好例子。 未來(lái)的高性能SoC將是處理器的分層和異質(zhì)系統(tǒng)，即在層次結(jié)構(gòu)中嵌入由同質(zhì)多處理器組成的一致性處理器集群。這種轉(zhuǎn)變已經(jīng)出現(xiàn)在一個(gè)特定的高性能嵌入式市場(chǎng)中，即以一致性網(wǎng)絡(luò)多處理器實(shí)現(xiàn)的聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。

　　目前，對(duì)于未來(lái)嵌入式芯片多處理器(CMP)的準(zhǔn)確特性仍存在爭(zhēng)議。CMP是屬于異質(zhì)型，還是用同質(zhì)處理器以分層方式實(shí)現(xiàn)的異質(zhì)型還不明確。但對(duì)于許多CMP而言，使共享內(nèi)存保持一致性至關(guān)重要。

　　定義和基本概念

　　對(duì)于一個(gè)帶有緩存的多內(nèi)核共享內(nèi)存系統(tǒng)而言，如果由任何處理器發(fā)布的任何“載入”操作所返回的值總是在該內(nèi)存位置最新“存儲(chǔ)”的值，則認(rèn)為該系統(tǒng)是緩存一致的。為了明確術(shù)語(yǔ)“最新存儲(chǔ) (latest Store) ”的定義，我們需要探討一下內(nèi)存模型。

　　借助于順序一致性(SC)模型這個(gè)常用的內(nèi)存模型進(jìn)行闡述。在SC系統(tǒng)中，可以根據(jù)一個(gè)并行程序的任何一次執(zhí)行的結(jié)果，對(duì)在一個(gè)位置完成的所有操作(主要是“載入”和“存儲(chǔ)”)建立全局串行順序。因此，“一致性”意味著：(1)每個(gè)處理器發(fā)出的“載入”和“存儲(chǔ)”操作順序，以同樣的方式出現(xiàn)在該系統(tǒng)的全局串行順序中，該處理器按照全局串行順序把這些操作傳給內(nèi)存系統(tǒng);(2)在該系統(tǒng)中，處理器每次所讀取的操作所返回的值，就是在全局串行順序中上次寫入到該位置的值。

　　因此，術(shù)語(yǔ)“全局串行順序”是由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存一致性模型(簡(jiǎn)稱內(nèi)存模型)的結(jié)果，在非正式場(chǎng)合中以“強(qiáng)”和“弱”來(lái)定義。內(nèi)存模型與單處理器的指令集架構(gòu)(ISA)有關(guān)，ISA定義了編譯器和硬件之間的操作約定。

　　ISA為多處理器系統(tǒng)(一般稱為多線程系統(tǒng))定義了程序員和內(nèi)存系統(tǒng)之間的操作約定。因此，Java等多線程語(yǔ)言也明確給出了內(nèi)存模型。在本文，大多數(shù)的“多處理”都可以用“多線程”代替。

　　順序一致性(SC)、總體存儲(chǔ)順序(TSO)和處理器一致性(PC)是一些常用的機(jī)器級(jí)內(nèi)存模型(從強(qiáng)到弱)。模型更強(qiáng)，意味著在并行內(nèi)存系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)器中加入了更多約束，從而簡(jiǎn)化了由并行中間件或系統(tǒng)庫(kù)寫入器執(zhí)行的任務(wù)。

　　但從單處理器的角度來(lái)看，SC卻是內(nèi)存一致性最弱的方式，因?yàn)樗惶峁┖侠淼膬?nèi)存系統(tǒng)所必需的約束，而不再對(duì)內(nèi)存操作進(jìn)行限制。簡(jiǎn)言之，強(qiáng)的內(nèi)存模型確保并行內(nèi)存系統(tǒng)在“讀出最新存儲(chǔ)操作返回的值”的約束基礎(chǔ)上，還提供其它約束，從而更有利于程序員編程。這些附加的約束通?？捎糜谠诰€程或處理器之間形成高效的同步機(jī)制。

　　為實(shí)現(xiàn)一致性，系統(tǒng)必須具備幾個(gè)基本特點(diǎn)。首先，在系統(tǒng)中的某一點(diǎn)處，向某個(gè)特定的內(nèi)存位置寫入信息的操作必須是串行化的。請(qǐng)注意，串行化是一個(gè)邏輯概念。對(duì)于一些探索性的高性能實(shí)現(xiàn)，串行化只是對(duì)于在提交(commit)階段應(yīng)如何返回事務(wù)給出了一個(gè)指導(dǎo)性方針，它類似于“無(wú)序”處理器，這種處理器保持一個(gè)臨時(shí)狀態(tài)和一個(gè)由提交點(diǎn)(commit point)分隔的“架構(gòu)狀態(tài)”。

　　一致性系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)是“寫入”傳播，它表示“寫入”操作需要最終傳播到需要這個(gè)新值的所有代理程序(agent)。第三個(gè)重要特點(diǎn)是“寫入”原子性，它是內(nèi)存模型而不是一致性的結(jié)果，它表示在所有處理器被串行化后，需要將寫入操作全部傳播至系統(tǒng)中的所有處理器。

　　這里將只討論一致性協(xié)議的常見(jiàn)分類方法。這種分類方式基于系統(tǒng)中緩存的穩(wěn)定狀態(tài)，常見(jiàn)的狀態(tài)被稱為“MOESI”，即修改、自有、互斥且干凈、共享且干凈，以及無(wú)效。這些術(shù)語(yǔ)的意義是自我解釋的，詳細(xì)解釋很容易在教科書中找到。

　　基于狀態(tài)的協(xié)議分類主要區(qū)分協(xié)議是基于“更新”還是基于“無(wú)效(invalidate)”。在基于“無(wú)效”的一致性協(xié)議中，系統(tǒng)中的一條緩存線僅有一個(gè)所有者，而在基于更新的系統(tǒng)中，所有緩存線的副本都是根據(jù)“寫入”操作來(lái)更新的。