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
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