23、多核心处理器后硅验证：缓存一致性与内存一致性检查技术

多核心处理器后硅验证：缓存一致性与内存一致性检查技术

在多核心处理器的设计与验证过程中，缓存一致性和内存一致性的验证是至关重要却又极具挑战的任务。由于硬件组件对执行软件的透明性，使得检测和诊断这些组件中的错误变得十分困难。例如，典型程序在不进行精确执行时间测量的情况下，无法区分缓存命中的加载操作和传播到主内存的加载操作。同时，用户级程序无法探测缓存控制器和TLB的状态，这就导致在不暂停执行并通过调试端口访问CPU微架构状态的情况下，无法验证一致性协议的行为。然而，这种中断可能会改变一致性和一致性事件的时序，掩盖一些由于特定通信消息时序而产生的难以发现的边缘情况错误。

1. 后硅验证技术概述

为了有效验证多核心设计中的共享内存通信，有两种后硅验证技术值得关注：
- 第一种技术专门针对缓存一致性协议的验证，旨在最小化产品最终用户的面积损失和性能成本。
- 第二种技术用于后硅内存一致性验证，在性能开销最小的情况下进行验证，但需要添加多个特定于验证的片上模块，因此会带来明显的面积成本。

2. 使用字符串匹配进行缓存一致性验证（CoSMa）

CoSMa是一种用于共享内存多核心设计的后硅缓存一致性验证解决方案。它采用了一种新颖的分布式跟踪机制，监控每个核心的本地缓存以及共享二级缓存中的一致性活动。这些活动被记录并紧凑地存储在现有的片上结构中，以最小化面积开销。然后，通过软件实现的字符串匹配算法定期检查是否存在不一致情况，从而揭示一致性违规。

2.1 CoSMa对多核架构的改造

当CoSMa启用后硅验证时，每个核心的私有L1缓存的一部分会被转换为日志活动存储，动态跟踪各个缓存行的一致性状态。同样，二级缓存的