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《大话处理器》Cache一致性协议之MESI

2014-12-09 04:13 281 查看


文章原文地址: http://blog.csdn.net/muxiqingyang/article/details/6615199


 Cache一致性协议之MESI

          处理器上有一套完整的协议,来保证Cache一致性。比较经典的Cache一致性协议当属MESI协议,奔腾处理器有使用它,很多其他的处理器都是使用它的变种。

单核Cache中每个Cache line有2个标志:dirty和valid标志,它们很好的描述了Cache和Memory(内存)之间的数据关系(数据是否有效,数据是否被修改),而在多核处理器中,多个核会共享一些数据,MESI协议就包含了描述共享的状态。

         在MESI协议中,每个Cache line有4个状态,可用2个bit表示,它们分别是: 

状态
描述
M(Modified)
这行数据有效,数据被修改了,和内存中的数据不一致,数据只存在于本Cache中。
E(Exclusive)
这行数据有效,数据和内存中的数据一致,数据只存在于本Cache中。
S(Shared)
这行数据有效,数据和内存中的数据一致,数据存在于很多Cache中。
I(Invalid)
这行数据无效。
MESI状态

           M(Modified)和E(Exclusive)状态的Cache line,数据是独有的,不同点在于M状态的数据是dirty的(和内存的不一致),E状态的数据是clean的(和内存的一致)。

          S(Shared)状态的Cache line,数据和其他Core的Cache共享。只有clean的数据才能被多个Cache共享。

          I(Invalid)表示这个Cache line无效。

 

          E状态示例如下:

 



E状态

       只有Core 0访问变量x,它的Cache line状态为E(Exclusive)。

 

        S状态示例如下:



S状态

         3个Core都访问变量x,它们对应的Cache line为S(Shared)状态。

 

         M状态和I状态示例如下:

 



M状态和I状态

            Core 0修改了x的值之后,这个Cache line变成了M(Modified)状态,其他Core对应的Cache line变成了I(Invalid)状态。

 

        在MESI协议中,每个Cache的Cache控制器不仅知道自己的读写操作,而且也监听(snoop)其它Cache的读写操作。每个Cache line所处的状态根据本核和其它核的读写操作在4个状态间进行迁移。

       MESI协议状态迁移图如下:



MESI协议状态迁移图

        在上图中,Local Read表示本内核读本Cache中的值,Local Write表示本内核写本Cache中的值,Remote Read表示其它内核读其它Cache中的值,Remote Write表示其它内核写其它Cache中的值,箭头表示本Cache line状态的迁移,环形箭头表示状态不变。

        当内核需要访问的数据不在本Cache中,而其它Cache有这份数据的备份时,本Cache既可以从内存中导入数据,也可以从其它Cache中导入数据,不同的处理器会有不同的选择。MESI协议为了使自己更加通用,没有定义这些细节,只定义了状态之间的迁移,下面的描述假设本Cache从内存中导入数据。

        MESI状态之间的迁移过程如下:

当前状态
事件
行为
下一个状态
I(Invalid)
Local Read
如果其它Cache没有这份数据,本Cache从内存中取数据,Cache line状态变成E;
如果其它Cache有这份数据,且状态为M,则将数据更新到内存,本Cache再从内存中取数据,2个Cache 的Cache line状态都变成S;
如果其它Cache有这份数据,且状态为S或者E,本Cache从内存中取数据,这些Cache 的Cache line状态都变成S
E/S
Local Write
从内存中取数据,在Cache中修改,状态变成M;
如果其它Cache有这份数据,且状态为M,则要先将数据更新到内存;
如果其它Cache有这份数据,则其它Cache的Cache line状态变成I
M
Remote Read
既然是Invalid,别的核的操作与它无关
I
Remote Write
既然是Invalid,别的核的操作与它无关
I
E(Exclusive)
Local Read
从Cache中取数据,状态不变
E
Local Write
修改Cache中的数据,状态变成M
M
Remote Read
数据和其它核共用,状态变成了S
S
Remote Write
数据被修改,本Cache line不能再使用,状态变成I
I
S(Shared)
Local Read
从Cache中取数据,状态不变
S
Local Write
修改Cache中的数据,状态变成M,
其它核共享的Cache line状态变成I
M
Remote Read
状态不变
S
Remote Write
数据被修改,本Cache line不能再使用,状态变成I
I
M(Modified)
Local Read
从Cache中取数据,状态不变
M
Local Write
修改Cache中的数据,状态不变
M
Remote Read
这行数据被写到内存中,使其它核能使用到最新的数据,状态变成S
S
Remote Write
这行数据被写到内存中,使其它核能使用到最新的数据,由于其它核会修改这行数据,
状态变成I
I
MESI状态迁移

           AMD的Opteron处理器使用从MESI中演化出的MOESI协议,O(Owned)是MESI中S和M的一个合体,表示本Cache line被修改,和内存中的数据不一致,不过其它的核可以有这份数据的拷贝,状态为S。

         Intel的core i7处理器使用从MESI中演化出的MESIF协议,F(Forward)从Share中演化而来,一个Cache line如果是Forward状态,它可以把数据直接传给其它内核的Cache,而Share则不能。




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