参考：
芜湖韩金轮_HNU计算机体系结构-实验3：多cache一致性算法
A橙_计算机体系结构实验三-缓存一致性
一、实验目的
- 熟悉cache一致性模拟器（监听法和目录法）的使用，并且理解监听法和目录法的基本思想，加深对多cache一致性的理解。
- 做到给出指定的读写序列，可以模拟出读写过程中发生的替换、换出等操作，同时模拟出cache块的无效、共享和独占态的相互切换。
二、实验说明
学习cache一致性监听法和目录法，并且进行一致性算法的模拟实验，熟悉相关知识。
- 缓存一致性：不同CPU共享存储器中的某一数据，如何在各自的缓存Cache保证该数据的一致性；
- 监听法：每个CPU的Cache，都可以通过总线监听其他CPU对共享数据的读写操作；
- 以下图为例，当前CPU A对共享数据块x进行读/写操作
- 此时其他CPU（这里是CPU B）会通过总线监听CPU A的操作，并做出写回、不变等操作；
| 没有其他CPU的Cache中有块x | CPU B共享块x | CPU B独占块x | Cache A需要替换块y（CPU A共享） | Cache A需要替换块y（CPU A独占） | |
|---|---|---|---|---|---|
| 当前CPU A读块x | 主存–>Cache A（读不命中）【A-共享】 | 主存–>Cache A（读不命中）【A、B-共享】 | Cache B–>主存，主存–>Cache A【A、B-共享】 | x：主存–>Cache A【A-共享】 | y：Cache A–>主存； x：主存–>Cache A【A-共享】 |
| 当前CPU A写块x | 主存–>Cache A（写不命中）【A-独占】 | 主存–>Cache A（写不命中）；Cache A作废Cache B的x【A-独占、B-无效】 | Cache B–>主存，主存–>Cache A【A-独占、B-失效】 | x：主存–>Cache A【A-独占】 | y：Cache A–>主存；x：主存–>Cache A【A-独占】 |
- 目录法：主存中每个块维护一个目录的共享集合；集中式地发送指令，以保证Cache的一致性；
- CPU的Cache对块的读/写都请求主存中的该目录
- 然后目录根据该块的共享集合发送写回、取值、作废、返回值等指令
- 主存发送给CPU的Cache请求的块
三、实验内容
1、cache一致性算法-监听法模拟
1）利用监听法模拟器进行下述操作，并填写下表
| 步骤 | 所进行的访问 | 是否发生了替换？ | 是否发生了写回？ | 监听协议进行的操作 | 块状态改变 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | CPU A 读第5块 | 否 | 否 | CPU A读不命中；Cache A发送读不命中信号， 将块5从主存读入Cache A 1 | Cache A 1由无效变为共享 |
| 2 | CPU B 读第5块 | 否 | 否 | CPU B读不命中；Cache B发送读不命中信号， 将块5从主存读入Cache B 1 | Cache B 1由无效变为共享 |
| 3 | CPU C 读第5块 | 否 | 否 | CPU C读不命中；Cache C发送读不命中信号， 将块5从主存读入Cache C 1 | Cache C 1由无效变为共享 |
| 4 | CPU B 写第5块 | 否 | 否 | CPU B写命中； CacheB发送作废信号，使其他CPU的块5失效 | Cache B 1由共享变为独占； Cache A 1、C 1由共享变为无效 |
| 5 | CPU D 读第5块 | 否 | 是（4-Cache B 1中的块5写回） | CPU D读不命中；Cache D发送读不命中信号，CPU B将块5写入主存，然后CPU D将块5从主存读入Cache D 1；【【如果优化的话】：Cache D发送读不命中信号，CPU B将块5写到总线，然后CPU D将块5从总线读入Cache D 1；然后CPU B将块5写入主存】； | Cache B 1由独占变为共享；Cache D 1由无效变为共享 |
| 6 | CPU B 写第21块 | 是（Cache B 1中块5换成块21） | 否 | CPU B写不命中；Cache B发送写不命中信号，从主存中加载块21到缓存B 1中，替换块5 | Cache B 1由共享变为独占; |
| 7 | CPU A 写第23块 | 否 | 否 | CPU A写不命中； Cache A发送写不命中信号，从主存中加载块23到缓存A 3中； | Cache A 1由无效变为独占; |
| 8 | CPU C 写第23块 | 否 | 是（7-Cache A 3中的块23写回） | CPU C写不命中；Cache C发送写不命中信号，CPU A将块23写入主存（写回），然后CPU C将块23从主存读入Cache C 3，然后CPU C写Cache C 3中的块23（这里不写回）；【【如果优化的话】：Cache C发送写不命中信号，CPU A将块23写到总线，然后CPU C将块23从总线读入Cache C 3；然后CPU A将块23写入主存；然后CPU C写Cache C 3中的块23； | Cache A 3由独占变为无效；Cache C 3由无效变为独占 |
| 9 | CPU B 读第29块 | 是（Cache B 1中块21换成块29） | 是（6-Cache B 1中的块21写回） | CPU B读不命中；Cache B发送读不命中信号，换出Cache B 1中找第21块，写回到主存； 将块29从主存读入Cache B 1 | Cache B 1由独占变为共享； |
| 10 | CPU B 写第5块 | 是（Cache B 1中块29换成块5） | 否 | CPU B写不命中；Cache B发送写不命中信号，访存并加载块5到Cache B 1中，替换块29；同时Cache D 1中的块5失效；Cache B写入Cache B 1的块5； | Cache B 1由共享变为独占； Cache D 1由共享变为无效 |
- 替换部分，两篇文章有些出入：
- 如1中CPU A 读第5块，韩金轮写的“替换 Cache A的块1”，A橙_写的“否”；
- 这里采用后者-冷不命中：一开始高速缓存里是空的，那么也就不用替换已有的块。
- 写回部分，考虑两篇文章在9/10的出入
- 9.Cache B 1的块21会写回：因为6的时候写块21，这里块21换出去；
- 10.Cache B 1的块29不会写回：因为9的时候Cache B 1的块29只是读，没有脏，不用写回；
（a1）CPU A 读第5块
- 未替换：5%4=1，CPU A到缓存A 1中找第5块，冷不命中，访存并加载到缓存A 1中。
- 未写回：这里是“读”。
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU A读不命中；
- Cache A发送读不命中信号， 将块5从主存读入Cache A1
- Cache A 1由无效变为共享；
（b2）CPU B 读第5块
- 未替换：5%4=1，CPU B到缓存B 1中找第5块，冷不命中，访存并加载到缓存B 1中。
- 未写回：这里是“读”。
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU B读不命中；
- CacheB发送读不命中信号， 将块5从主存读入CacheB1
- Cache B 1由无效变为共享；
（c3）CPU C 读第5块
- 未替换：5%4=1，CPU C到缓存C 1中找第5块，冷不命中，访存并加载到缓存C 1中。
- 未写回：这里是“读”。
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU C读不命中；
- Cache C发送读不命中信号， 将块5从主存读入Cache C1
- Cache C 1由无效变为共享；
（d4）CPU B 写第5块
- 未替换：5%4=1，CPU A到缓存B 1中找第5块，命中
- 未写回：这里采用的“写回”
- 直写：在CPU写Cache的时候就写回主存；
- 写回：等其他CPU再次访问该数据的时候，才写回到主存；
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU B写命中；
- CacheB发送作废信号，使其他CPU的块5失效
- Cache B 1由共享变为独占； Cache A 1、C 1由共享变为无效
（e5）CPU D 读第5块
- 未替换：5%4=1，CPU D到缓存D 1中找第5块，冷不命中。
- 写回：CPU B等到其他CPU再次访问该数据，此时写回到主存；
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU D读不命中；
- Cache D发送读不命中信号，CPU B将块5写入主存，然后CPU D将块5从主存读入Cache D 1
- 【如果优化的话】：Cache D发送读不命中信号，CPU B将块5写到总线，然后CPU D将块5从总线读入Cache D 1；然后CPU B将块5写入主存
- Cache B 1由独占变为共享；Cache D 1由无效变为共享
（f6）CPU B 写第21块
- 替换：5%4=1，CPU B到缓存B 1中找第21块，这里已经有了第5块，冲突不命中，访存并加载块21到缓存D 1中，替换块5。
- 未写回：采用“写回”，会等其他CPU再次访问该数据的时候，才写回到主存；
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU B写不命中；
- Cache B发送写不命中信号，从主存中加载块21到缓存B 1中，替换块5
- Cache B 1由共享变为独占;
（g7）CPU A 写第23块
- 未替换：23%4=3，写不命中
- 未写回：采用“写回”，会等其他CPU再次访问块23的时候，才写回到主存；
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU A写不命中；
- Cache A发送写不命中信号，从主存中加载块23到缓存A 3中
- Cache A 1由无效变为独占;
（h8）CPU C 写第23块
- 未替换：23%4=3，写不命中
- 写回：CPU A等到其他CPU再次访问该数据块23，此时写回到主存；
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU C写不命中；
- Cache C发送写不命中信号，CPU A将块23写入主存，然后CPU C将块23从主存读入Cache C 3，然后CPU C写Cache C 3中的块23
- 【如果优化的话】：Cache C发送写不命中信号，CPU A将块23写到总线，然后CPU C将块23从总线读入Cache C 3；然后CPU A将块23写入主存；然后CPU C写Cache C 3中的块23
- Cache A 3由独占变为无效；Cache C 3由无效变为独占
（i9）CPU B 读第29块
- 替换：29%4=1，CPU B到缓存B 1中找第29块，冲突不命中
- 写回：CPU B需要换出CacheB 1中找第21块，此时写回到主存；
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU B读不命中；
- CacheB发送读不命中信号，换出CacheB 1中找第21块，写回到主存； 将块29从主存读入CacheB 1
- Cache B 1由独占变为共享；
（j10）CPU B 写第5块
- 替换：5%4=1，CPU A到缓存B 1中找第5块，但这里是块29，冲突/写不命中
- 未写回：换出的块29仅读，不需要写回；
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU B写不命中；
- Cache B发送写不命中信号，访存并加载块5到Cache B 1中，替换块29；同时Cache D 1中的块5失效；Cache B写入Cache B 1的块5
- Cache B 1由共享变为独占； Cache D 1由共享变为无效
2） 请截图，展示执行完以上操作后整个cache系统的状态
2、cache一致性算法-目录法模拟
1）利用目录法模拟器进行下述操作，并填写下表
| 步骤 | 所进行的访问 | 监听协议进行的操作 | 共享集合变化 | 块状态改变 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | CPU A 读第6块 | CPU A读不命中； Cache A发送读不命中信号给主存，主存向本地结点A发块6 | 块6：{A} | Cache A 2由无效变为共享 |
| 2 | CPU B 读第6块 | CPU B读不命中；Cache B发送读不命中信号给主存，主存向本地结点B发块6 | 块6：{A，B} | Cache B 2由无效变为共享； |
| 3 | CPU D 读第6块 | CPU D读不命中；Cache D发送读不命中信号给主存，主存向本地结点D发块6 | 块6：{A，B，D} | Cache D 2由无效变为共享； |
| 4 | CPU B 写第6块 | CPU B写命中；Cache B发送作废信号给主存，主存向远程结点A、D发作废消息 | 块6：{B} | Cache A 2由共享变为无效；Cache D 2由共享变为无效；Cache B 2由共享变为独占 |
| 5 | CPU C 读第6块 | CPU C读不命中；Cache C发送读不命中信号给主存，主存取Cache B 2的块6，再发给Cache C 2 | 块6：{B，C} | Cache B 2由独占变为共享；Cache C 2由无效变为共享 |
| 6 | CPU D 写第20块 | CPU D写不命中；Cache D发送写不命中信号给主存，主存向本地结点D发块20 | 块20：{D}; | Cache D 0由无效变为独占 |
| 7 | CPU A 写第20块 | CPU A写不命中；Cache A发送写不命中信号给主存，主存从远程结点D取并作废块20，然后主存向本地结点A发块20 | 块20：{A} | Cache A 0由无效变为独占;Cache D 0由独占变为无效 |
| 8 | CPU D 写第6块 | CPU D写不命中；Cache D发送写不命中信号给主存，主存向远程结点B、C发作废信号块，然后主存向本地结点D发块6； | 块6：{D} | Cache B 2、C 2由共享变为无效；Cache D 2由无效变为独占 |
| 9 | CPU A 读第12块 | CPU A读不命中；Cache A写回块20给主存，然后发送读不命中信号给主存，主存向本地结点A写块12 | 块20：{ }；块12：{A} | Cache A 0由独占变为共享； |
注：下面的截图中，为了保留左上角的步骤，可能截图过早使得共享集合未及时改变，可以以文字版的说明为准；
（a1）CPU A 读第6块
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU A读不命中；
- Cache A发送读不命中信号给主存，主存向本地结点A发块6;
- 存储器中块6的共享集合为{A}
- Cache A 2由无效变为共享；
（b2）CPU B 读第6块
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU B读不命中；
- Cache B发送读不命中信号给主存，主存向本地结点B发块6
- 存储器中块6的共享集合为{A，B}
- Cache B 2由无效变为共享；
（c3）CPU D 读第6块
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU D读不命中；
- Cache D发送读不命中信号给主存，主存向本地结点D发块6;
- 存储器中块6的共享集合为{A，B ,D}
- Cache D 2由无效变为共享；
（d4）CPU B 写第6块
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU B写命中；
- Cache B发送作废信号给主存，主存向远程结点A、D发作废消息；
- 存储器中块6的共享集合为{B}
- Cache A 2由共享变为无效；Cache D 2由共享变为无效；Cache B 2由共享变为独占
（e5）CPU C 读第6块
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU C读不命中；
- Cache C发送读不命中信号给主存，主存取Cache B 2的块6，再发给Cache C 2
- 存储器中块6的共享集合为{B，C}
- Cache B 2由独占变为共享；Cache C 2由无效变为共享
（f6）CPU D 写第20块
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU D写不命中；
- Cache D发送写不命中信号给主存，主存向本地结点D发块20；
- 存储器中块20的共享集合为{D}
- Cache D 0由无效变为独占
（g7）CPU A 写第20块
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU A写不命中；
- Cache A发送写不命中信号给主存，主存从远程结点D取并作废块20，然后主存向本地结点A发块20；
- 存储器中块20的共享集合为{A}
- Cache A 0由无效变为独占;Cache D 0由独占变为无效
（h8）CPU D 写第6块
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU D写不命中；
- Cache D发送写不命中信号给主存，主存向远程结点B、C发作废信号块，然后主存向本地结点D发块6；
- 存储器中块6的共享集合为{D}
- Cache B 2、C 2由共享变为无效;Cache D 2由无效变为独占
（i9）CPU A 读第12块
- 监听协议进行的操作与块状态改变：
- CPU A读不命中；
- Cache A写回块20给主存，然后发送读不命中信号给主存，主存向本地结点A写块12;
- 存储器中块20的共享集合为{ }，块12的共享集合为{A}
- Cache A 0由独占变为共享；
2） 请截图，展示执行完以上操作后整个cache系统的状态
3、思考题
1）目录法和监听法分别是集中式和基于总线，两者优劣是什么？
监听法-基于总线：通过广播信号来实现写失效
- 优：
- 不需要额外的存储空间；
- 核数较少时，总线压力较小，成本低，效果好。
- 劣：
- 可扩展性差，能够连接的处理器数目有限
- 处理器数量越多，总线通信的压力大：总线冲突增加, 监听带宽成为瓶颈
目录法-集中式：使用目录维护一致性信息
- 优：
- 可以实现在分布式的系统中；
- 不需要总线广播一致性信息, 总线压力小
- 劣：
- 目录增加了存储开销，随着核数增加时目录的开销变大；
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