3.3.1 Cache一致性的基本概念

最新推荐文章于 2024-03-10 01:22:15 发布

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本文介绍了Cache一致性协议的基础概念，重点讨论了MESI协议及其变种MOESI和MESIF协议。MESI协议用于处理多处理器系统中的Cache一致性，通过四种状态（Modified, Exclusive, Shared, Invalid）来维护数据的一致性。文章还提到了在不同状态下的数据写入和读取操作，以及O(Owned)状态在MOESI协议中的作用。在SMP处理器系统中，HIT#和HITM#信号用于反映HOST主桥访问地址是否在Cache中命中。最后，文章简要阐述了Cache一致性协议中涉及的Agent角色和FSB总线事务的四个阶段。" 128681807,12030802,ARM Cortex-M处理器详解,"['arm开发', '嵌入式硬件']

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PCI设备对可Cache的存储器空间进行DMA读写的操作的过程较为复杂，有关Cache一致性的话题可以独立成书。而不同的处理器系统使用的Cache Memory的层次结构和访问机制有较大的差异，这部分内容也是现代处理器系统设计的重中之重。

本节仅介绍在Cache Memory系统中与PCI设备进行DMA操作相关的，一些最为基础的概念。在多数处理器系统中，使用了以下概念描述Cache一致性的实现过程。

1 Cache一致性协议

多数SMP处理器系统使用了MESI协议处理多个处理器之间的Cache一致性。该协议也被称为Illinois protocol，MESI协议在SMP处理器系统中得到了广泛的应用。MESI协议使用四个状态位描述每一个Cache行。

M(Modified)位。M 位为1 时表示当前Cache 行中包含的数据与存储器中的数据不一致，而且它仅在本CPU的Cache 中有效，不在其他CPU的Cache 中存在拷贝，在这个Cache行的数据是当前处理器系统中最新的数据拷贝。当CPU对这个Cache行进行替换操作时，必然会引发系统总线的写周期，将Cache行中数据与内存中的数据同步。
E(Exclusive)位。E 位为1 时表示当前Cache行中包含的数据有效，而且该数据仅在当前CPU的Cache中有效，而不在其他CPU的Cache中存在拷贝。在该Cache行中的数据是当前处理器系统中最新的数据拷贝，而且与存储器中的数据一致。
S(Shared)位。S 位为1 表示Cache行中包含的数据有效，而且在当前CPU和至少在其他一个CPU中具有副本。在该Cache行中的数据是当前处理器系统中最新的数据拷贝，而且与存储器中的数据一致。
I(Invalid)位。I 位为1 表示当前Cache 行中没有有效数据或者该Cache行没有使能。MESI协议在进行Cache行替换时，将优先使用I位为1的Cache行。

MESI协议还存在一些变种，如MOESI协议和MESIF协议。基于MOESI协议的Cache一致性模型如图3‑5所示，该模型基于AMD处理器使用的MOESI协议。不同的处理器在实现MOESI协议时，状态机的转换原理类似，但是在处理上仍有细微区别。

MOESI协议引入了一个O(Owned)状态，并在MESI协议的基础上，进行了重新定义了S状态，而E、M和I状态和MESI协议的对应状态相同。

O位。O位为1表示在当前Cache 行中包含的数据是当前处理器系统最新的数据拷贝，而且在其他CPU中一定具有该Cache行的副本，其他CPU的Cache行状态为S。如果主存储器的数据在多个CPU的Cache中都具有副本时，有且仅有一个CPU的Cache行状态为O，其他CPU的Cache行状态只能为S。与MESI协议中的S状态不同，状态为O的Cache行中的数据与存储器中的数据并不一致。
S位。在MOESI协议中，S状态的定义发生了细微的变化。当一个Cache行状态为S时，其包含的数据并不一定与存储器一致。如果在其他CPU的Cache中不存在状态为O的副本时，该Cache行中的数据与存储器一致；如果在其他CPU的Cache中存在状态为O的副本时，Cache行中的数据与存储器不一致。