MESI协议-缓存一致性协议

Posted 2021-09-21 YoungerChina

MESI协议-缓存一致性协议

        MESI协议是Cache line四种状态的首字母的缩写，分别是修改（Modified）态、独占（Exclusive）态、共享（Shared）态和失效（Invalid）态。Cache中缓存的每个Cache Line都必须是这四种状态中的一种。

• 修改态（M）：如果该Cache Line在多个Cache中都有备份，那么只有一个备份能处于这种状态，并且“dirty”标志位被置上。拥有修改态Cache Line的Cache需要在某个合适的时候把该Cache Line写回到内存中。但是在写回之前，任何处理器对该Cache Line在内存中相对应的内存块都不能进行读操作。Cache Line被写回到内存中之后，其状态就由修改态变为共享态。
• 独占态（E）：和修改状态一样，如果该Cache Line在多个Cache中都有备份，那么只有一个备份能处于这种状态，但是“dirty”标志位没有置上，因为它是和主内存内容保持一致的一份拷贝。如果产生一个读请求，它就可以在任何时候变成共享态。相应地，如果产生了一个写请求，它就可以在任何时候变成修改态。
• 共享态（S）：意味着该Cache Line可能在多个Cache中都有备份，并且是相同的状态，它是和内存内容保持一致的一份拷贝，而且可以在任何时候都变成其他三种状态。
• 失效态（I）：该Cache Line要么已经不在Cache中，要么它的内容已经过时。一旦某个Cache Line被标记为失效，那它就被当作从来没被加载到Cache中。

       对于某个内存块，当其在两个（或多个）Cache中都保留了一个备份时，只有部分状态是允许的。如下表所示，横轴和竖轴分别表示了两个Cache中某个Cache Line的状态，两个CacheLine都映射到相同的内存块。如果一个Cache Line设置成M态或者E态，那么另外一个Cache Line只能设置成I态；如果一个Cache Line设置成S态，那么另外一个Cache Line可以设置成S态或者I态；如果一个Cache Line设置成I态，那么另外一个Cache Line可以设置成任何状态。

MESI中两个Cache备份的状态矩阵

       那么，究竟怎样的操作才会引起Cache Line的状态迁移，从而保持Cache的一致性呢？以下所示是根据不同读写操作触发的状态迁移表：