多處理器系統(tǒng)MESI cache一致性協(xié)議

1、一致性要求是指，若cache中某個字被修改，那么在主存（以及更高層次）上，該字的副本必須立即或最后加以修改，并確保它者引用主存上該字內(nèi)容的正確性。當(dāng)代多處理器系統(tǒng)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于不同cache中，若允許處理器各自獨立地修改自己的cache，就會出現(xiàn)不一致問題。解決此問題有軟件辦法和硬件辦法。硬件辦法能動態(tài)地識別出不一致產(chǎn)生的條件并予以及時處理，從而使cache的使用有很高的效率。并且此辦法對程序員和系統(tǒng)軟件開發(fā)人員是透明的，減輕了軟件研制負擔(dān)，從而普遍被采用。MESI協(xié)議是一種采用寫-無效方式的監(jiān)聽協(xié)議。它要求每個cache行有兩個狀態(tài)位，用于描

2、述該行當(dāng)前是處于修改態(tài)（M）、專有態(tài)（E）、共享態(tài)（S）或者無效態(tài)（I）中的哪種狀態(tài)，從而決定它的讀/寫操作行為。這四種狀態(tài)的定義是：修改態(tài)（Modified）此cache行已被修改過（臟行），內(nèi)容已不同于主存并且為此cache專有；專有態(tài)（Exclusive）此cache行內(nèi)容同于主存，但不出現(xiàn)于其它cache中；共享態(tài)（Shared）此cache行內(nèi)容同于主存，但也出現(xiàn)于其它cache中；無效態(tài)（Invalid）此cache行內(nèi)容無效（空行）。MESI協(xié)議適合以總線為互連機構(gòu)的多處理器系統(tǒng)。各cache控制器除負責(zé)響應(yīng)自己CPU的內(nèi)存讀寫操作（包括讀/寫命中與未命中）外，還要負責(zé)監(jiān)聽總線上

3、的其它CPU的內(nèi)存讀寫活動（包括讀監(jiān)聽命中與寫監(jiān)聽命中）并對自己的cache予以相應(yīng)處理。所有這些處理過程要維護cache一致性，必須符合MESI協(xié)議狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則。下面由圖的四個頂點出發(fā)，介紹轉(zhuǎn)換規(guī)則：（規(guī)則中與上圖的相應(yīng)位置以*數(shù)字序號對照給出）*1該無效行在自身Cache讀未命中將被相應(yīng)內(nèi)存塊填充以建立新行時，讀監(jiān)聽命中，說明其它Cache正在讀同地址的內(nèi)存塊，以建立新行。故為多Cache共享行，應(yīng)為S狀態(tài)，并應(yīng)繼續(xù)發(fā)出讀監(jiān)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(yīng)內(nèi)存塊填充以建立新行時，未讀監(jiān)聽命中，為本Cache專有，故新建行應(yīng)為E狀態(tài)。*3該

4、無效行在自身Cache寫未命中時，將先讀入相應(yīng)內(nèi)存塊填充新行后，再進行寫修改，與原內(nèi)存正本的數(shù)據(jù)不一至，故新建行為M狀態(tài)。*4該共享行寫監(jiān)聽命中，說明別的Cache由于寫命中修改了同此地址的行，根據(jù)寫無效原則，此共享行應(yīng)改變?yōu)闊o效（I）狀態(tài)。*5該共享行讀命中，狀態(tài)不變。*6該共享行讀監(jiān)聽命中，說明其它Cache正在讀同地址內(nèi)存塊，以建立新行，此時該共享行狀態(tài)不必改變，但應(yīng)繼續(xù)發(fā)讀監(jiān)聽廣播，供它者監(jiān)聽。*7該共享行被寫命中，其中某字被改寫，與內(nèi)存正本不一至，故應(yīng)改為M狀態(tài)，且應(yīng)發(fā)出共享行寫命中監(jiān)聽廣播，使其它Cache同地址行作廢（同*4）。*8該E態(tài)行讀監(jiān)聽命中說明別的Cache正在讀同地址

5、的內(nèi)存正本，以建立新行，故其狀態(tài)應(yīng)改為S狀態(tài)，并發(fā)出讀監(jiān)聽廣播，以使同此情況及* 1效仿之。*9該E態(tài)行讀命中不必改變狀態(tài)。*10該E態(tài)行寫監(jiān)聽命中，說明別的Cache由于寫未命中而訪問同地址的內(nèi)存正本，該E態(tài)行內(nèi)容即將過時，故應(yīng)作廢。*11該E態(tài)行寫命中，只改變狀態(tài)為M態(tài)即可，無須他者監(jiān)聽。*12該M態(tài)行寫命中狀態(tài)不變。*13該M態(tài)行讀命中狀態(tài)不變。*14該M態(tài)行讀監(jiān)聽命中，應(yīng)將該行最新數(shù)據(jù)寫回內(nèi)存正本后變?yōu)镾狀態(tài)。并發(fā)出讀監(jiān)聽廣播，供他者監(jiān)聽。*15該M態(tài)行寫監(jiān)聽命中，說明別的Cache由于寫未命中而訪問了同地址的內(nèi)存塊（同* 3），將實行先讀后修改，此時本地M態(tài)行應(yīng)搶先寫回主存，然后作廢，以保證別的Cache讀出整行而未被修改數(shù)據(jù)的正確性。*16該M態(tài)行寫監(jiān)聽命中，說明別的Cache由于寫未命中而訪問了同地址的內(nèi)存塊，將實行先讀后整行的修改，此時本地M態(tài)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(jiān)聽系統(tǒng)總線，但能監(jiān)聽到的只有讀未命中、寫未命中以及共享行寫命中三種情況。讀監(jiān)聽命中的有效行都要進入S態(tài)并發(fā)出監(jiān)聽命中指示，但M態(tài)行要搶先寫回主存；寫監(jiān)聽命中的有效行都要進入I態(tài)，但收到RWITM時的M態(tài)行