《大话处理器》Cache一致性协议之MESI

Posted 2021-03-08 sky-heaven

转自：https://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： 

 

 

 

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：

 

 

 

 

 

 

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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