多處理器系統MESI cache一致性協議

 

      一致性要求是指，若cache中某個字被修改，那麼在主存（以及更高層次）上，該字的副本必須立即或最後加以修改，並確保它者引用主存上該字內容的正確性。 
　　當代多處理器系統中，每個處理器大都有自己的cache。同一主存塊的拷貝能同時存於不同cache中，若允許處理器各自獨立地修改自己的cache，就會出現不一致問題。解決此問題有軟體辦法和硬體辦法。硬體辦法能動態地識別出不一致產生的條件並予以及時處理，從而使cache的使用有很高的效率。並且此辦法對程式員和系統軟體開發人員是透明的，減輕了軟體研製負擔，從而普遍被採用。
　　MESI協議是一種採用寫--無效方式的監聽協議。它要求每個cache行有兩個狀態位，用於描述該行當前是處於修改態（M）、專有態（E）、共用態（S）或者無效態（I）中的哪種狀態，從而決定它的讀/寫操作行為。這四種狀態的定義是： 
　　·修改態（Modified）－－此cache行已被修改過（髒行），內容已不同於主存並且 為此cache專有； 
　　·專有態（Exclusive）－－此cache行內容同於主存，但不出現於其它cache中； 
　　·共用態（Shared）－－此cache行內容同於主存，但也出現於其它cache中； 
　　·無效態（Invalid）－－此cache行內容無效（空行）。 
　　MESI協議適合以匯流排為互連機構的多處理器系統。各cache控制器除負責響應自己CPU的記憶體讀寫操作（包括讀/寫命中與未命中）外，還要負責監聽匯流排上的其它CPU的記憶體讀寫活動（包括讀監聽命中與寫監聽命中）並對自己的cache予以相應處理。所有這些處理過程要維護cache一致性，必須符合MESI協議狀態轉換規則。

　　下面由圖的四個頂點出發，介紹轉換規則：（規則中與 的相應位置以*數字序號對照給出）
　　*1 該無效行在自身Cache讀未命中將被相應記憶體塊填充以建立新行時，讀監聽命中，說明其它Cache正在讀同地址的記憶體塊，以建立新行。故為多Cache共用行，應為S狀態，並應繼續發出讀監聽廣播，使其它Cache的類似情況效仿。
　　*2該無效行在自身Cache讀未命中將被相應記憶體塊填充以建立新行時，未讀監聽命中，為本Cache專有，故建立行應為E狀態。
　　*3 該無效行在自身Cache寫未命中時，將先讀入相應記憶體塊填充新行後，再進行寫修改，與原記憶體正本的資料不一至，故建立行為M狀態。
　　*4 該共用行寫監聽命中，說明別的Cache由於寫命中修改了同此地址的行，根據寫無效原則，此共用行應改變為無效（I）狀態。
　　*5 該共用行讀命中，狀態不變。
　　*6 該共用行讀監聽命中，說明其它Cache正在讀同地址記憶體塊，以建立新行，此時該共用行狀態不必改變，但應繼續發讀監聽廣播，供它者監聽。
　　*7 該共用行被寫命中，其中某字被改寫，與記憶體正本不一至，故應改為M狀態，且應發出共用行寫命中監聽廣播，使其它Cache同地址行作廢（同*4）。
　　*8 該E態行讀監聽命中說明別的Cache正在讀同地址的記憶體正本，以建立新行，故其狀態應改為S狀態，並發出讀監聽廣播，以使同此情況及* 1效仿之。
　　*9 該E態行讀命中不必改變狀態。
　　*10 該E態行寫監聽命中，說明別的Cache由於寫未命中而訪問同地址的記憶體正本，該E態行內容即將過時，故應作廢。
　　*11該E態行寫命中，只改變狀態為M態即可，無須他者監聽。
　　*12該M態行寫命中狀態不變。
　　*13該M態行讀命中狀態不變。
　　*14該M態行讀監聽命中，應將該行最新資料寫回記憶體正本後變為S狀態。並發出讀監聽廣播，供他者監聽。
　　*15該M態行寫監聽命中，說明別的Cache由於寫未命中而訪問了同地址的記憶體塊（同* 3），將實行先讀後修改，此時本地M態行應搶先寫回主存，然後作廢，以保證別的Cache讀出整行而未被修改資料的正確性。
　　*16該M態行寫監聽命中，說明別的Cache由於寫未命中而訪問了同地址的記憶體塊，將實行先讀後整行的修改，此時本地M態行不必寫回主存，只作廢即可。
　　上述分析可以看出，雖然各cache控制器隨時都在監聽系統匯流排，但能監聽到的只有讀未命中、寫未命中以及共用行寫命中三種情況。讀監聽命中的有效行都要進入S態並發出監聽命中指示，但M態行要搶先寫回主存；寫監聽命中的有效行都要進入I態，但收到RWITM時的M態行要搶先寫回主存。總之監控邏輯並不複雜，增添的系統匯流排傳輸開銷也不大，但MESI協議卻有力地保證了主存塊髒拷貝在多cache中的唯一性，並能及時寫回，保證cache主存存取的正確性。

 

 

 

   相似內容參考：Ulrich Drepper 神牛的文章《what every programmer should know about memory》第3.3.4節Multi-Processor Support