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キャッシュ/コヒーレンシ (Cache Coherency)
マルチCPU/キャッシュ構成など複数のバスマスタが存在し、各々がデータ更新を行った場合でも最新の正しいデータにアクセスできるよう保つべきデータの一貫性のことをキャッシュコヒーレンシもしくはキャッシュコンシステンシといいます。データ更新に上記ライトバック方式を用いた場合など、キャッシュに更新されたデータが滞留して主記憶装置など下位レベルのメモリには最新のデータが存在しない可能性があります。この時に複数のCPUが同一の記憶領域を参照／更新しようとすると、データの不整合が起こり正しい結果が得られないため、これを解決しどのCPUも必ず最新のデータにアクセスできるようにする必要があります。このための代表的なアルゴリズムにスヌープ方式やディレクトリ方式、共有キャッシュがあります。
＊スヌープ方式 (Cache Snooping)
上記キャッシュコヒーレンシのアルゴリズムにおいて、特に各キャッシュ自身に搭載される方法としてスヌープ方式があります。これは各々のキャッシュが自身や他CPUのキャッシュのライン更新状態を把握／管理し、他のキャッシュと更新状態の情報を交換することで、どのキャッシュに最新のデータが存在するかを知り、各キャッシュが必要なときに最新のデータを取得できるように自身の状態を変更したりラインのパージを行います。この情報交換は共通のデータバスを介して行われるため、情報の通知と実際のデータ転送との順序が保たれ、破綻を起こすことはありません。逆に共通バスを持たない分散型メモリシステムには用いることが困難などの制約もあります。このプロトコルとして下記のものが知られております。
■無効型プロトコル (Invalidate Protocol)
複数のキャッシュから参照があるアドレスに対しあるキャッシュが更新を行う場合、そのアドレスはダーティであるとして参照中の全キャッシュの該当ラインを無効化します。これにより更新されたラインがありながら他のキャッシュで古いデータをキャッシングしている状態がなくなり、コヒーレンシが保たれる。MESI(Illinoisプロトコル)、MOSI(Berkeleyプロトコル)などがあります。
■更新型プロトコル (Update Protocol)
複数のキャッシュが参照しているアドレスに対してデータ更新を行うときはライトスルー型となり、単独でアクセスしている場合はライトバック型となるような制御を行うことで更新データを行き渡らせコヒーレンシを保ちます。MEI(Fireflyプロトコル)、MOES(DRAGONプロトコル)などがあります。
＊ディレクトリ方式 (Directory-based Protocol)
スヌープ方式と異なり、メモリの一貫性をディレクトリと呼ぶ専用領域にて一元管理する方式です。この領域は実装上の各メモリ領域に分散してよく、分散メモリ型システムに適しております。
＊共有キャッシュ (Shared Cache)
1つのキャッシュに対し複数のCPUが参照できるような構成を持つキャッシュのことです。1チップに集積された複数のCPUを扱うなど限定的な場面ではキャッシュコヒーレンシを根本的に解決しますが、キャッシュ自体の構造が非常に複雑となる、もしくは性能低下要因となり、多くのCPUを接続することはより困難となります。
