直的存储层次结构，同时由于每个核私有缓存的存在，各个处理器核对这些私有缓存的写操作可能会导致同地址在不同私有缓存中展现出不样的数据，从而导致存储致性。针对多核的缓这个请求，接收节点通过识别定序号的大小来保证全局的顺序致，由此完成消息的定序。这样虽然避免了间接的延迟，但对于直没有请求注入的节点，其拥有定序号未被使用，就需要设臵过期窗口来保证网络的性能，而过多的过期消息又会导致网络功耗和带宽浪费。摘要随着多核处理器的集成规模不断扩大，片上互连由总线发展到片上网络，传统的缓存致性协议不再适应新的片上网络环境，缓存致性问题凸显成为制约多核系统性能的瓶颈之。从多核致性问题的产生出发，分析了互连结构对缓存致性的影响，分别从存在的困难和优化的角度综述了侦听协议目录协议令牌协议等的发展现状。总结了当前致性协议发展过程中面临的问构的新型协议。侦听致性协议的改进侦听致性协议最早是基于总线实现的。请求者通过申请占用总线来进行广播，同时总线仲裁占用也扮演了事务定序的角色，所有的致性事务都是按顺序串行进行，保证了致性协议对写操作的顺序性要求。而对于片上网络互连结构，高并行度允许不同节点可以同时发出消息，由于不同核之间路径长度和链路的实时拥塞状况不同，因此不同节点接收到的同消息到达时间不致，造成顺序性的要求不满足，导致致性，如图所示。因此侦听致性协议应用于片上网络的首要难题便是定序问题。图片上网络结构中缓存致性消息的排序难题此外，由于缺少缓存共享者信息，致性事务的发起者通常只能广播消息，对于片上网片上网络互连基础上多核缓存致性研究分析电信技术论文器之间的速度差异导致内存墙问题依然存在。在多核环境下，私有缓存与共享末级缓存共存产生复杂的访存行为，使得缓存致性的维护面临更加严峻的挑战。随着核数的不断增加，多核的互连结构也逐步由传统的总线互连向片上网络发展。互连结构的变革，使得适用于传统多核总线的侦听致性协议等不再适应新的环境，亟需进步改进以及新的致性协议的发展。本文针对多核环境下缓存致性协议的发展进行了综述，论述了多核缓存致性问题的由来，分析了多核互连结构变化对缓存致性协议提出的新要求，总结了当前国内外针对传统缓存致性协议的改进思路以及其他新型缓存致性解决方案的发展，指出了现有设计各自存在因此总线缓存致性协议的实现相对简单。但随着电路集成度的不断增加，片上多核系统的节点数也在不断增长，使得每次总线占用只能处理个节点的请求，这种协议方式效率低下，无法适应高并发与大通信量的应用场景。片上网络与传统总线在通信方式和拓扑结构上都有巨大差异。其模拟计算机系统中的通信网络，采用分组路由的方式通信，在传输数据时，不需要对互连网络申请独占，不同节点随机发出的数据包在节点之间路由传递，分时复用链路资源，最终到达目的节点，完成核间通信，因此其具有高并发性的特点，能较好地满足多核系统对互连网络带宽和吞吐率的要求。摘要随着多核处理器的集成规模不断扩大，片上互连由总线发展到片上混合目录致性协议模型。其根据维护致性的层级分为非致模型全致模型和末级缓存致模型。采用非致模型时跳过缓存，直接通过访问内存全致模型则和普通目录致性操作样，维护所有私有缓存的致末级缓存致模型则处于两者中间，只需维护与末级缓存之间的数据致。通过访存行为特点，变换致性模型，避免直使用全致性，以减少目录面积，同时加快访存的速度。从目录协议与侦听协议混合的角度提出了混合协议。对于非共享数据，其不存储于目录中，而是通过令牌计数来保证其致性正确，并监管其共享状态，目录只管理经常处于共享状态的数据，从而大幅降低了维护致性的目录存储消耗。片上网络互连基础上目录将有限指针目录与层次化目录相结合提出了种可伸缩的致性目录，对于只被单个或者少许几个核共享的缓存行，采用有限指针格式逐个记录，当被多个核共享时采用层次化目录格式，划分为根目录和叶子目录，根目录记录各个叶子目录的共享信息，叶子目录记录各个成员的共享信息，如此能够减少目录消耗的面积。提出了可扩展的目录，通过观察大部分数据负载都是私有的，将目录分别组织为私有目录和共享目录，各自记录共享数据和私有数据的信息，由于私有目录通常只有在替换出和重新载入时才会被访问，因此采用了速度更低但相同面积容量更大的来记录，如此能够显著减少目录的硬件消耗。互事务局部化，以此减少存储开销，降低延迟，但是却大大增加了协议的复杂度。无标记目录采用布隆过滤器阵列的组织方式来代替有标记目录存储致性信息以减少面积开销，如图所示，每个布隆过滤器由个哈希函数和对应的个位向量组成。每个布隆过滤器对应个核中的组缓存信息。由于位向量比标记的开销小得多，由此达到节省面积的目的。但由于其查找功耗会随着核数呈线性增长，导致可扩展性降低，其存在的假阳性判断导致的额外的致性操作也使得协议设计变得复杂以及性能损失。图布隆过滤器结构与组织方式目录在稀疏目录的基础之上，采用种迭代插入替换的策略，在不增加目录容量的同时，解决稀疏目录在降低低了目录项冲突导致的性能损失，也能降低目录的容量消耗。图归约消息组合其他致性协议不论是侦听致性协议还是目录致性协议，大多都是基于协议编码实现的。面对协议实现的种种问题，些学者也提出了采用其他致性状态分类或者不采用状态编码的致性协议。提出了种协议来减少致性操作的步骤。分别代表种状态。的核心思想在于将私有和只读数据块与共享数据块分开存储，通过监测数据块的状态，然后将其移动至对应的缓存中即可，这样的设计虽然避免目录结构的使用，却可能会造成频繁的远程访问缓存，导致组的方案，其采用多级目录来记录共享信息，高层的目录记录低层目录的致性信息，相比传统目录组织结构，能够将致性交互事务局部化，以此减少存储开销，降低延迟，但是却大大增加了协议的复杂度。无标记目录采用布隆过滤器阵列的组织方式来代替有标记目录存储致性信息以减少面积开销，如图所示，每个布隆过滤器由个哈希函数和对应的个位向量组成。每个布隆过滤器对应个核中的组缓存信息。由于位向量比标记的开销小得多，由此达到节省面积的目的。但由于其查找功耗会随着核数呈线性增长，导致可扩展性降低，其存在的假阳性判断导致的额外的致性操作也使得协议设计变得复杂以及性能损失。图布隆过滤器结构与组织方目录结构如图所示，对于暂时处于私有状态的数据，采用区域粒度粗粒度，当区域内块数据被多核同时共享时，转化为块粒度，由此可以大量节省目录的面积。协议基于程序的局部性发现对于个具体应用通常访存的都是相同的几个核的组合，对应对于同数据的共享也通常是相同的组合模式。于是采用记录组合模式的方法，对于被共享的缓存块由指针指向个组合，当记录的组合超过了目录的容量时，则将相似组合融合，转为粗粒度的记录。图双粒度目录结构根据访存行为的变化提出了混合目录致性协议模型。其根据维护致性的层级分为非致模型全致模型和末级缓存致模型。采用非致模型时跳过缓存，直接通过片上网络互连基础上多核缓存致性研究分析电信技术论文联度时所导致的目录项组冲突问题。其核心是通过迭代插入打破存储冲突的传递，如图所示。但是当高负载的时候，可能会频繁达到迭代阈值导致功耗高且性能低。图哈希插入操作目录发现被独占的数据当目录项被替换出时，并不需要无效，这并不会引起功能，且能够避免由此导致的缓存缺失和重新装载的操作，因此在目录中将缓存的缓存块划分为共享和独占两种状态，对于独占状态被替换出时，只丢掉目录项，而不无效对应缓存块，为了保证协议的正确，其还设计了广播找回机制。这样充分降低了目录项冲突导致的性能损失，也能降低目录的容量消耗。片上网络互连基础上多核缓存致性研究分析电信技术论文免网络热点，提高链路利用率，其持续请求机制也能避免请求过多时的请求饥饿现象。为了提高中的存储资源利用率，等提出了缓存机制，并增加了消息传递缓冲区的管理状态，实现数据缓存与消息缓冲的可配臵功能，从而减少硬件消耗。虽然以编码基础下的目录和侦听协议依然是主流，要研发整套新型的协议难度较大，方案较少，但这些新型协议也逐渐显露出更适应片上网络环境的特点，值得持续关注。层次化目录的提出是种面积可扩展的方式，提出了种层次结构目录对多核进行逻辑分组的方案，其采用多级目录来记录共享信息，高层的目录记录低层目录的致性信息，相比传统目录组织结构，能够将致性的不断增加，片上多核系统的节点数也在不断增长，使得每次总线占用只能处理个节点的请求，这种协议方式效率低下，无法适应高并发与大通信量的应用场景。片上网络与传统总线在通信方式和拓扑结构上都有巨大差异。其模拟计算机系统中的通信网络，采用分组路由的方式通信，在传输数据时，不需要对互连网络申请独占，不同节点随机发出的数据包在节点之间路由传递，分时复用链路资源，最终到达目的节点，完成核间通信，因此其具有高并发性的特点，能较好地满足多核系统对互连网络带宽和吞吐率的要求。目录将有限指针目录与层次化目录相结合提出了种可伸缩的致性目录，对于只被单个或者少许几个核共享的缓存行，采用有统效率低下。是针对的种优化，其中的共享数据块在特定时刻能重新缓存到缓存中，避免频繁的远程访问。协议不同于与，不再采用专门的状态位记录缓存块状态，而是为每个共享缓存块分配固定数量的令牌，当个核拥有至少个令牌时，才能读取该共享数据块，当其拥有所有的令牌时，才能对该数据块进行写操作，由此保证了同时刻只有个写操作者或者多个读操作者，且当个核进行写操作时，其余所有的数据副本都是无效的，确保了致性协议的正确性。可以看出