基于总线监听的Cache一致性协议分析_汤伟

2009年第7期福建电脑基于总线监听的Cache一致性协议分析汤伟，李俊峰(安阳师范学院河南安阳455000)【摘要】：片内多处理器系统是当前计算机体系结构研究的热点问题之一。

与传统的多处理机系统一样，Cache一致性问题也是片内多处理器系统必须首先解决的问题。

本文首先介绍了片内多处理器系统中的Cache一致性问题及其解决方法，然后着重讨论了两种基于总线监听的Cache一致性协议：MSI协议和MESI协议，并对它们进行了分析比较。

【关键词】：片内多处理器；Cache一致性；监听协议；MSI协议；MESI协议0、引言随着体系结构的不断进步和生产工艺的快速发展，存储器的访问速度与处理器的运算速度之间的差距越来越显著，使得访存速度成为提高处理器性能的瓶颈。

因此，现代计算机都在处理器和主存之间增加了高速缓冲存储器Cache，以弥补处理器与主存之间速度的差异。

由此也带来了一个新的问题--Cache 一致性问题。

另一方面，受集成电路制造工艺、体系结构等的影响，单处理器的性能难以进一步提升。

因此，片内多处理器得到了快速的发展。

片内多处理器的发展也使得Cache一致性问题更为突出。

1、Cache一致性问题及其解决方法单处理器系统中，Cache一致性问题是指Cache与主存之间数据的一致性问题，而在片内多处理器系统中，每个处理器都有自己私有的Cache，所有处理器共享主存，Cache一致性问题也就变成了多个Cache之间以及Cache与主存之间的数据一致性问题。

单处理器系统中，Cache一致性问题只存在于Cache与主存之间，可通过写贯穿、写回等写策略较好地加以解决，而在片内多处理器系统中，Cache一致性问题存在于多个Cache之间以及Cache与主存之间，解决Cache一致性问题也就需要从两个方面入手，一方面涉及处理器所采用的写策略，另一方面涉及处理器所采用的Cache一致性协议。

常用的写策略有写贯穿、写回等。

常用的Cache一致性协议可分为两大类：目录协议和监听协议。

由于监听协议能使用己经存在的物理连线（通往存储器的总线）来查询Cache的状态，所以在设计中比较常用。

监听协议又可分为两类：写更新协议和写无效协议。

写更新协议是，某处理器要更新它的Cache中某个共享块时，要在总线上广播具体的修改字及地址，含有该数据块副本的各个Cache同时予以更新；写无效协议是，某处理器要更新它的Cache中某个共享块时，无需广播具体的修改字，只需给出修改字的地址和其它必要的指示信息，使其它Cache中该数据块的副本无效，然后再更新该Cache块。

由于在基于总线的片内多处理器系统中总线是最紧张的资源，写无效协议不会给总线带来太大的压力，所以写无效协议几乎已经成为所有实现机制中选择的协议。

2、基于总线监听的Cache一致性协议基于总线的片内多处理器系统中，常用MSI协议、MESI协议等协议来维护多个Cache中数据的一致性。

2.1MSI协议MSI协议是一种写无效协议，它利用三个状态来区别Cache 块的状态，分别为：(1)M：已修改状态，也称为脏状态。

该状态表明，该Cache块已被处理器修改过，其中的数据是系统中唯一正确的数据，主存中的相应数据是过时的，其它Cache中该数据块的副本也都是无效的。

(2)S：共享状态。

该状态表明，该Cache块未被处理器修改，主存中的相应数据是最新的，其它Cache中也可能有该数据块的有效副本。

(3)I：无效状态。

该状态表明，该Cache块中的数据无效。

Cache块的MSI状态除了受本地处理器存储器读写操作的影响之外，还受共享总线上其它处理器存储器读写操作的影响。

(1)本地处理器存储器读写操作对Cache块MSI状态的影响读命中时，Cache块的状态只可能是已修改状态或共享状态，此时不必访问主存，由Cache提供数据，Cache块的状态不变。

读未命中时，可能是因为要访问的数据不在Cache中，也可能是因为要访问的数据在Cache中，但处于无效状态，此时需要访问主存，取得数据，同时将数据所在主存块调入Cache，Cache 块的状态变为共享状态。

写命中时，若命中的是处于已修改状态的Cache块，则直接更新该Cache块，Cache块的状态不变；若命中的是处于共享状态的Cache块，则在更新该Cache块之前，本地处理器先发出一个写无效信号，使其它Cache中该数据块的副本无效，然后再更新该Cache块，Cache块的状态变为已修改状态。

写未命中时，可能是因为要访问的数据不在Cache中，也可能是因为要访问的数据在Cache中，但处于无效状态，此时需要访问主存，取得数据，同时将数据所在主存块调入Cache，再更新Cache块，Cache块的状态变为已修改状态。

本地处理器在访问主存的同时，还会发出一个"读是用于写"信号，供其它处理器监听。

(2)共享总线上其它处理器存储器读写操作对Cache块MSI状态的影响共享总线上其它处理器读未命中时，需要访问主存取得数据；写命中处于共享状态的Cache块时，会广播一个写无效信号；写未命中时，也需要访问主存，取得数据，同时还会发出一个"读是用于写"信号，所有这些操作本地处理器都可以监听到。

本地处理器若监听到其它处理器正在读本处理器的Cache 中处于已修改状态的Cache块，则抢先将该Cache块写回主存，以确保其它处理器从主存中获得的数据是最新的数据，然后再将该Cache块的状态转换为共享状态。

本地处理器若监听到其它处理器正在读本处理器的Cache 中处于共享状态的Cache块，则不改变该Cache块的状态。

本地处理器若监听到其它处理器正在写本处理器的Cache 中处于共享状态的Cache块，则将该Cache块的状态转换为无效状态。

本地处理器若监听到其它处理器正在写本处理器的Cache 中处于已修改状态的Cache块，也抢先将该Cache块写回主存，然后再将该Cache块的状态转换为无效状态。

MSI协议各个状态之间的转换如图1所示：MSI协议中共享状态包含了两种情况：其一是仅一个Cache 中有某个数据块的副本；其二是有两个或两个以上的Cache中有同一数据块的副本。

不管是那种情况，写命中处于共享状态的Cache块时，都需要在更新该Cache块之前，发出一个写无效信号。

对于第二种情况，发出一个写无效信号是必要的，而对于第582009年第7期福建电脑（上接第43页）!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!集团数据整合、资源信息共享等需求。

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为了解决这一问题提出了MESI 协议。

图1MSI协议状态转换图2.2MESI协议MESI协议也是一种写无效协议，它利用四个状态来区别Cache块的状态，分别为：(1)M：已修改状态。

该状态的定义同MSI协议。

(2)E：独占状态。

该状态表明，该Cache块未被处理器修改，主存中的相应数据是最新的，且只有本处理器的Cache中有该数据块的副本。

(3)S：共享状态。

该状态表明，该Cache块未被处理器修改，主存中的相应数据是最新的，其它Cache中也有该数据块的有效副本。

(4)I：无效状态。

该状态的定义同MSI协议。

可以看出，MESI协议将MSI协议中的共享状态分成了两个状态：独占状态（仅一个Cache中有某个数据块的副本）和共享状态（有两个或两个以上的Cache中有同一数据块的副本），从而减少了在总线上传输的信息，降低了总线的负担。

Cache块的MESI状态除了受本地处理器存储器读写操作的影响之外，同样受共享总线上其它处理器存储器读写操作的影响。

(1)本地处理器存储器读写操作对Cache块MESI状态的影响读命中时，Cache块的状态可能是已修改状态、独占状态或共享状态，此时不必访问主存，由Cache提供数据，Cache块的状态不变。

读未命中时，需要访问主存，取得数据，同时将数据所在主存块调入Cache，若本地处理器未收到其它处理器的监听命中读操作的指示，则将Cache块的状态转换为独占状态，否则将Cache块的状态转换为共享状态。

写命中时，若命中的是处于独占或已修改状态的Cache块，则直接更新该Cache块，Cache块的状态变为已修改状态；若命中的是处于共享状态的Cache块，则在更新该Cache块之前，本地处理器先发出一个写无效信号，使其它Cache中该数据块的副本无效，然后再更新该Cache块，Cache块的状态变为已修改状态。

写未命中时，需要访问主存，取得数据，同时将数据所在主存块调入Cache，再更新Cache块，Cache块的状态变为已修改状态。

本地处理器在访问主存的同时，还会发出一个"读是用于写"信号，供其它处理器监听。

(2)共享总线上其它处理器存储器读写操作对Cache块MESI状态的影响本地处理器若监听到其它处理器正在读本处理器的Cache 中处于独占、共享或已修改状态的Cache块，都将该Cache块的状态转换为共享状态，同时发出一个监听命中读操作的指示，此外，处于已修改状态的Cache块还要抢先写回主存。

本地处理器若监听到其它处理器正在写本处理器的Cache 中处于独占、共享或已修改状态的Cache块，都将该Cache块的状态转换为无效状态，处于已修改状态的Cache块也要抢先写回主存。

MESI协议各个状态之间的转换如图2所示：图2MESI协议状态转换图MESI协议中，本地处理器若监听到其它处理器正在读、写本处理器的Cache中处于已修改状态的Cache块，都需要抢先将该Cache块写回主存，其它处理器再从主存读取数据，若其它处理器能直接使用本地处理器中处于已修改状态的Cache块，协议的性能将进一步提高。

3、结束语本文对基于总线的片内多处理器系统中，两种维护Cache 一致性的协议--MSI协议和MESI协议进行了分析比较。

MSI协议存在仅一个Cache中有某个数据块的副本也在总线上广播写无效信号的问题。

MESI协议解决了这一问题，但它是以增加Cache的复杂度为代价的，MESI协议同样还存在问题，如其它处理器不能直接使用本地处理器中处于已修改状态的Cache块。