转自:https://blog.csdn.net/muxiqingyang/article/details/6615199
处理器上有一套完整的协议,来保证Cache一致性。比较经典的Cache一致性协议当属MESI协议,奔腾处理器有使用它,很多其他的处理器都是使用它的变种。
单核Cache中每个Cache line有2个标志:dirty和valid标志,它们很好的描述了Cache和Memory(内存)之间的数据关系(数据是否有效,数据是否被修改),而在多核处理器中,多个核会共享一些数据,MESI协议就包含了描述共享的状态。
在MESI协议中,每个Cache line有4个状态,可用2个bit表示,它们分别是:
状态 | 描述 |
---|---|
M(Modified) | 这行数据有效,数据被修改了,和内存中的数据不一致,数据只存在于本Cache中。 |
E(Exclusive) | 这行数据有效,数据和内存中的数据一致,数据只存在于本Cache中。 |
S(Shared) | 这行数据有效,数据和内存中的数据一致,数据存在于很多Cache中。 |
I(Invalid) | 这行数据无效 |
M(Modified)和E(Exclusive)状态的Cache line,数据是独有的,不同点在于M状态的数据是dirty的(和内存的不一致),E状态的数据是clean的(和内存的一致)。
(Shared)状态的Cache line,数据和其他Core的Cache共享。只有clean的数据才能被多个Cache共享。
I(Invalid)表示这个Cache line无效。
E状态示例如下:
![](http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14923231-a443a91d828640f9.png?imageMogr2/auto-orient/strip|imageView2/2/w/405/format/webp)
S状态示例如下:
![](http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14923231-918e60e49902cab5.png?imageMogr2/auto-orient/strip|imageView2/2/w/405/format/webp)
M状态和I状态示例如下:
![](http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14923231-aaaf7b7734aa883f.png?imageMogr2/auto-orient/strip|imageView2/2/w/405/format/webp)
在MESI协议中,每个Cache的Cache控制器不仅知道自己的读写操作,而且也监听(snoop)其它Cache的读写操作。每个Cache line所处的状态根据本核和其它核的读写操作在4个状态间进行迁移。
MESI协议状态迁移图如下:
![](http://upload-images.jianshu.io/upload_images/14923231-a7c782b130f3f4b2.png?imageMogr2/auto-orient/strip|imageView2/2/w/554/format/webp)
当内核需要访问的数据不在本Cache中,而其它Cache有这份数据的备份时,本Cache既可以从内存中导入数据,也可以从其它Cache中导入数据,不同的处理器会有不同的选择。MESI协议为了使自己更加通用,没有定义这些细节,只定义了状态之间的迁移,下面的描述假设本Cache从内存中导入数据。
MESI状态之间的迁移过程如下:
当前状态 | 事件 | 行为 | 下一个状态 |
---|---|---|---|
I(Invalid) | Local Read | 如果其它Cache没有这份数据,本Cache从内存中取数据,Cache line状态变成E; 如果其它Cache有这份数据,且状态为M,则将数据更新到内存,本Cache再从内存中取数据,2个Cache 的Cache line状态都变成S; 如果其它Cache有这份数据,且状态为S或者E,本Cache从内存中取数据,这些Cache 的Cache line状态都变成S |
E/S |
I(Invalid) | Local Write | 从内存中取数据,在Cache中修改,状态变成M; 如果其它Cache有这份数据,且状态为M,则要先将数据更新到内存; 如果其它Cache有这份数据,则其它Cache的Cache line状态变成I |
M |
I(Invalid) | Remote Read | 既然是Invalid,别的核的操作与它无关 | I |
I(Invalid) | Remote Write | 既然是Invalid,别的核的操作与它无关 | I |
E(Exclusive) | Local Read | 从Cache中取数据,状态不变 | E |
E(Exclusive) | Local Write | 修改Cache中的数据,状态变成M | M |
E(Exclusive) | Remote Read | 数据和其它核共用,状态变成了S | S |
E(Exclusive) | Remote Write | 数据被修改,本Cache line不能再使用,状态变成I | I |
S(Shared) | Local Read | 从Cache中取数据,状态不变 | S |
S(Shared) | Local Write | 修改Cache中的数据,状态变成M,其它核共享的Cache line状态变成I | M |
S(Shared) | Remote Read | 状态不变 | S |
S(Shared) | Remote Write | 数据被修改,本Cache line不能再使用,状态变成I | I |
M(Modified) | Local Read | 从Cache中取数据,状态不变 | M |
M(Modified) | Local Write | 修改Cache中的数据,状态不变 | M |
M(Modified) | Remote Read | 这行数据被写到内存中,使其它核能使用到最新的数据,状态变成S | S |
M(Modified) | Remote Write | 这行数据被写到内存中,使其它核能使用到最新的数据,由于其它核会修改这行数据,状态变成I |
MESI状态迁移
AMD的Opteron处理器使用从MESI中演化出的MOESI协议,O(Owned)是MESI中S和M的一个合体,表示本Cache line被修改,和内存中的数据不一致,不过其它的核可以有这份数据的拷贝,状态为S。
Intel的core i7处理器使用从MESI中演化出的MESIF协议,F(Forward)从Share中演化而来,一个Cache line如果是Forward状态,它可以把数据直接传给其它内核的Cache,而Share则不能