CPU多级缓存——CPU缓存一致性协议(MESI)

最新推荐文章于 2025-02-24 22:18:26 发布

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#MESI #CPU缓存一致性

MESI协议是一种常见的CPU缓存一致性协议，它包括Modified、Exclusive、Shared和Invalid四种状态。协议保证了当多个缓存同时持有同一数据时的一致性。文章介绍了MESI状态的含义及转换，以及相对于MSI协议的优势，如减少不必要的总线请求，提高顺序和并行应用的效率。然而，MESI协议在连续读写操作时可能导致额外的内存刷新开销。

简介

MESI协议是基于Invalidate的高速缓存一致性协议，并且是支持回写高速缓存的最常用协议之一。它也被称为伊利诺伊州协议（由于其在伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的发展）。回写高速缓存可以节省很多通常在写入缓存上浪费的带宽。

四种状态的介绍

每一块被写入cache的内容都会使用4种状态进行标记。它们分别为：

M:被修改的（Modified）

此高速缓存行仅存在于当前的cache当中，并且是脏数据（即该部分内容与主内存对应的内容是不一致的，因为它被CPU修改了）。在允许其他cache在主存读取该部分内容的任何状态之前需要cache将数据回写主存。

E:独享的（Exclusive）

此高速缓存行仅存在于当前的cache当中，与主存数据一致。

S：共享的（Shared）

此高速缓存行可能存储在计算机其他的cache中，与主存数据一致，可以随时丢弃改行。

I：无效的（Invalid）

表示此缓存行无效。

四种状态的转换

四种状态之间的转换可以通过下面这张MESI状态迁移图来表示。

local read表示此cache或CPU读取本高速缓存行；local write表示此CPU修改本高速缓存行；

remote read表示其他cache或CPU读取本高速缓存行；remote write表示其他CPU修改本高速缓存行。

关于这张图的解读可参考表格。

MESI状态迁移图

当前状态	事件	行为	下一个状态
M	Local Read	从cache中直接读取数据，状态不变	M
	Local Write	修改cache中的数据，状态不变	M
	Remote Read	cache中的该数据回写内存，cache line转为S	S
	Remote Write	cache中的该数据回写内存，其他CPU会修改该数据，因此cache line状态转为I	I
E	Local Read	从cache中直接取数据，状态不变	I
	Local Write	修改cache中的数据，cache line状态转为M	M
	Remote Read	数据与其他cache块或其他CPU共用，cache line状态转为S	S
	Remote Write	数据被其他CPU修改，cache line状态转为I	I
S	Local Read	直接从cache中取数据，状态不变	S
	Local Write	修改cache中对应的目标数据，cache line状态转为M 其他cache的cache line状态转为I	M
	Remote Read	/	S
	Remote Write	数据被其他CPU修改，本cache对应数据的cache line状态转为I	I
I	Local Read	其他cache没有目标数据，本cache从内存中取数据，cache line状态为E 其他cache有这份数据，但这份数据状态为M，要求数据回写内存，本cache再从内存中读写目标数据，2个cache line状态都为S 其他cache有这份数据，且状态为E或者S，本cache从其他cache或内存中读取目标数据，关于该数据的cache line状态都转为S	E/S
	Local Write	从内存或其他cache中读取数据并修改，cache line为M 其他cache有这份数据且cache line为M，需要先将数据回写内存其他cache有这份数据且cache line不为M，其他cache的cache line转为I	M
	Remote Read	/	I
	Remote Write	/	I

MESI 状态迁移表

MESI优于MSI的优势

两种协议之间最显着的差异是MESI协议中存在的额外“独占”状态。添加了这个额外状态，因为它有许多优点。如果处理器需要读取其他处理器都没有的块然后写入它，那么在MSI的情况下将发生两个总线事务。首先是BusRd请求，在写入块之前读取块，然后是BusRdX请求。这种情况下的BusRdX请求是无用的，因为没有其他缓存具有相同的块，但是一个缓存无法知道这一点。因此，MESI协议通过添加Exclusive状态克服了这一限制，从而节省了总线请求。这在顺序应用程序运行时会产生巨大差异。由于只有一个处理器正在处理它，所有访问都将是独占的。 MSI在这里表现得非常糟糕。即使在高度并行的应用程序中，数据共享最少，MESI也会快得多。