Cache一致性基本概念解析

PCI设备对可Cache的存储器空间进行DMA读写操作的过程较为复杂，有关Cache Memory的话题可以独立成书。而不同的处理器系统使用的Cache Memory的层次结构和访问机制有较大的差异，这部分内容也是现代处理器系统设计的重中之重。

本节仅介绍在Cache Memory系统中与PCI设备进行DMA操作相关的一些最为基础的概念。在多数处理器系统中，使用了以下概念描述Cache一致性的实现过程。

1.Cache一致性协议

多数SMP处理器系统使用了MESI协议处理多个处理器之间的Cache一致性。该协议也称为Illinois protocol，在SMP处理器系统中得到了广泛的应用。MESI协议使用四个状态位描述每一个Cache行。

●M（Modified）位。M位为1时表示当前Cache行中包含的数据与存储器中的数据不一致，而且它仅在本CPU的Cache中有效，不在其他CPU的Cache中存在副本，在这个Cache行的数据是当前处理器系统中最新的数据副本。当CPU对这个Cache行进行替换操作时，必然会引发系统总线的写周期，将Cache行中数据与内存中的数据同步。

●E（Exclusive）位。E位为1时表示当前Cache行中包含的数据有效，而且该数据仅在当前CPU的Cache中有效，而不在其他CPU的Cache中存在副本。在该Cache行中的数据是当前处理器系统中最新的数据副本，而且与存储器中的数据一致。

●S（Shared）位。S位为1表示Cache行中包含的数据有效，而且在当前CPU和至少其他一个CPU中具有副本。在该Cache行中的数据是当前处理器系统中最新的数据副本，而且与存储器中的数据一致。

●I（Invalid）位。I位为1表示当前Cache行中没有有效数据或者该Cache行没有使能。MESI协议在进行Cache行替换时，将优先使用I位为1的Cache行。

MESI协议还存在一些变种，如MOESI协议和MESIF协议。基于MOESI协议的Cache一致性模型如图3-5所示。AMD处理器就使用MOESI协议。不同的处理器在实现MOESI协议时，状态机的转换原理类似，但是在处理上仍有较大的区别。

图3-5 基于MOESI协议的Cache一致性模型

MOESI协议引入了一个O（Owned）状态，并在MESI协议的基础上，重新定义了S状态，而E、M和I状态和MESI协议的对应状态相同。

●O位。O位为1表示在当前Cache行中包含的数据是当前处理器系统最新的数据副本，而且在其他CPU中一定具有该Cache行的副本，其他CPU的Cache行状态为S。如果主存储器的数据在多个CPU的Cache中都具有副本时，有且仅有一个CPU的Cache行状态为O，其他CPU的Cache行状态只能为S。与MESI协议中的S状态不同，状态为O的Cache行中的数据与存储器中的数据并不一致。

●S位。在MOESI协议中，S状态的定义发生了细微的变化。当一个Cache行状态为S时，其包含的数据并不一定与存储器一致。如果在其他CPU的Cache中不存在状态为O的副本时，该Cache行中的数据与存储器一致；如果在其他CPU的Cache中存在状态为O的副本时，Cache行中的数据与存储器不一致。

在一个处理器系统中，主设备（CPU或者外部设备）进行存储器访问时，将试图从存储器系统（主存储器或者其他CPU的Cache）中获得最新的数据副本。如果该主设备访问的数据没有在本地命中时，将从其他CPU的Cache中获取数据，如果这些数据仍然没有在其他CPU的Cache中命中，主存储器将提供数据。外设设备进行存储器访问时，也需要进行Cache共享一致性。

在MOESI模型中，“Probe Read”表示主设备从其他CPU中获取数据副本的目的是为了读取数据；而“Probe Write”表示主设备从其他CPU中获取数据副本的目的是为了写入数据；“Read Hit”和“Write Hit”表示主设备在本地Cache中获得数据副本；“Read Miss”和“Write Miss”表示主设备没有在本地Cache中获得数据副本；“Probe Read Hit”和“Probe Write Hit”表示主设备在其他CPU的Cache中获得数据副本。

本节为简便起见，仅介绍CPU进行存储器写和与O状态相关的Cache行状态迁移，CPU进行存储器读的情况相对较为简单，请读者自行分析这个过程。

当CPU对一段存储器进行写操作时，如果这些数据在本地Cache中命中时，其状态可能为E、S、M或者O。

●状态为E或者M时，数据将直接写入到Cache中，并将状态改为M。

●状态为S时，数据将直接写入到Cache中，并将状态改为M，同时其他CPU保存该数据副本的Cache行状态将从S或者O迁移到I（Probe Write Hit）。

●状态为O时，数据将直接写入到Cache中，并将状态改为M，同时其他CPU保存该数据副本的Cache行状态将从S迁移到I（Probe Write Hit）。

当CPU A对一段存储器进行写操作时，如果这些数据没有在本地Cache中命中时，而在其他CPU，如CPU B的Cache中命中时，其状态可能为E、S、M或者O。其中CPU A使用CPU B在同一个Cache共享域中。

●Cache行状态为E时，CPU B将该Cache行状态改为I；而CPU A将从本地申请一个新的Cache行，将数据写入，并该Cache行状态更新为M。

●Cache行状态为S时，CPU B将该Cache行状态改为I，而且具有同样副本的其他CPU的Cache行也需要将状态改为I；而CPU A将从本地申请一个Cache行，将数据写入，并该Cache行状态更新为M。

●Cache行状态为M时，CPU B将原Cache行中的数据回写到主存储器，并将该Cache行状态改为I；而CPU A将从本地申请一个Cache行，将数据写入，并该Cache行状态更新为M。

●Cache行状态为O时，CPU B将原Cache行中的数据回写到主存储器，并将该Cache行状态改为I，具有同样数据副本的其他CPU的Cache行也需要将状态从S更改为I；

CPU A将从本地申请一个Cache行，将数据写入，并该Cache行状态更新为M。

Cache行状态可以从M迁移到O。例如当CPU A读取的数据从CPU B中命中时，如果在CPU B中Cache行的状态为M时，将迁移到O，同时CPU B将数据传送给CPU A新申请的Cache行中，而且CPU A的Cache行状态将被更改为S。

当CPU读取的数据在本地Cache中命中，而且Cache行状态为O时，数据将从本地Cache获得，并不会改变Cache行状态。如果CPU A读取的数据在其他Cache中命中，如在CPU B的Cache中命中而且其状态为O时，CPU B将该Cache行状态保持为O，同时CPU B将数据传送给CPU A新申请的Cache行中，而且CPU A的Cache行状态将被更改为S。

在某些应用场合，使用MOESI协议将极大提高Cache的利用率，因为该协议引入了O状态，从而在发送Read Hit的情况时，不必将状态为M的Cache回写到主存储器，而是直接从一个CPU的Cache将数据传递到另外一个CPU。目前MOESI协议在AMD和RMI公司的处理器中得到了广泛的应用。

Intel提出了另外一种MESI协议的变种，即MESIF协议，该协议与MOESI协议有较大的不同，也远比MOESI协议复杂，该协议由Intel的QPI（QuickPath Interconnect）技术引入，其主要目的是解决“基于点到点的全互连处理器系统”的Cache共享一致性问题，而不是“基于共享总线的处理器系统”的Cache共享一致性问题。(www.chuimin.cn)

在基于点到点互连的NUMA（Non-Uniform Memory Architecture）处理器系统中，包含多个子处理器系统，这些子处理器系统由多个CPU组成。如果这个处理器系统需要进行全机Cache共享一致性，该处理器系统也被称为ccNUMA（Cache Cohenrent NUMA）处理器系统。MESIF协议主要解决ccNUMA处理器结构的Cache共享一致性问题，这种结构通常使用目录表，而不使用总线监听处理Cache的共享一致性。

MESIF协议引入了一个F（Forward）状态。在ccNUMA处理器系统中，可能在多个处理器的Cache中存在相同的数据副本，在这些数据副本中，只有一个Cache行的状态为F，其他Cache行的状态都为S。Cache行的状态位为F时，Cache中的数据与存储器一致。

当一个数据请求方读取这个数据副本时，只有状态为F的Cache行，可以将数据副本转发给数据请求方，而状态位为S的Cache不能转发数据副本。从而MESIF协议有效解决了在ccNUMA处理器结构中，所有状态位为S的Cache同时转发数据副本给数据请求方，而造成的数据拥塞。

在ccNUMA处理器系统中，如果状态位为F的数据副本，被其他CPU复制时，F状态位将会被迁移，新建的数据副本的状态位将为F，而老的数据副本的状态位将改变为S。当状态位为F的Cache行被改写后，ccNUMA处理器系统需要首先Invalidate状态位为S其他的Cache行，之后将Cache行的状态更新为M。

独立地研究MESIF协议并没有太大意义，该协议由Boxboro-EX处理器系统^[38]引入，目前Intel并没有公开Boxboro-EX处理器系统的详细设计文档。MESIF协议仅是解决该处理器系统中Cache一致性的一个功能，该功能的详细实现与QPI的Protocal Layer相关，QPI由多个层次组成，而Protocal Layer是QPI的最高层。

对MESIF协议QPI互连技术有兴趣的读者，可以在深入理解“基于目录表的Cache一致性协议”的基础上，阅读Robert A.Maddox，Gurbir Sin gh and Robert J.Safra nek合著的书籍“Weaving High Performance Multiprocessor Fabric”以了解该协议的实现过程和与QPI互连技术相关的背景知识。

值得注意的是，MESIF协议解决主要的问题是ccNUMA架构中SMP子系统与SMP子系统之间Cache一致性。而在SMP处理器系统中，依然需要使用传统的MESI协议。Nehalem EX处理器也可以使用MOESI协议进一步优化SMP系统使用的Cache一致性协议，但是并没有使用该协议。

为简化起见，本章假设处理器系统使用MESI协议进行Cache共享一致性，而不是MOESI协议或者MESIF协议。

2.HIT#和HITM#信号

在SMP处理器系统中，每一个CPU都使用HIT#和HITM#信号反映HOST主桥访问的地址是否在各自的Cache中命中。当HOST主桥访问存储器时，CPU将驱动HITM#和HIT#信号，其描述如表3-1所示。

表3-1 HITM#和HIT#信号的含义

HIT#和HITM#信号是FSB中非常重要的两个信号，各个CPU的HIT#和HITM#信号通过“线与”方式直接相连^[39]。而在一个实际FSB中，还包括许多信号，本节并不会详细介绍这些信号。

3.Cache一致性协议中使用的Agent

在处理器系统中，与Cache一致性相关的Agent如下所示。

●Request Agent。FSB总线事务的发起设备。在本节中，Request Agent特指HOST主桥。实际上在FSB总线上的其他设备也可以成为Request Agent，但这些Request Agent并不是本节的研究重点。Request Agent需要进行总线仲裁后，才能使用FSB，在多数处理器的FSB中，需要对地址总线与数据总线分别进行仲裁。

●Snoop Agents。FSB总线事务的监听设备。Snoop Agents为CPU，在一个SMP处理器系统中，有多个CPU共享同一个FSB，此时这些CPU都是这条FSB上的Snoop Agents。Snoop Agents监听FSB上的存储器读写事务，并判断这些总线事务访问的地址是否在Cache中命中。Snoop Agents通过HIT#和HITM#信号向FSB通知Cache命中的结果。在某些情况下，Snoop Agents需要将Cache中的数据回写到存储器，同时为Request Agent提供数据。

●Response Agent。FSB总线事务的目标设备。在本节中，Response Agent特指存储器控制器。Response Agent根据Snoop Agents提供的监听结果，决定如何接收数据或者向Request Agent设备提供数据。在多数情况下，当前数据访问没有在Snoop Agents中命中时，Response Agent需要提供数据，此外Snoop Agents有时需要将数据回写到Re-sponse Agent中。

4.FSB的总线事务

一个FSB的总线事务由多个阶段组成，包括Request Phase、Snoop Ph ase、Response Phase和Data Phase。目前在多数高端处理器中，FSB支持流水操作，即在同一个时间段内，不同的阶段可以重叠，如图3-6所示。

在一个实际的FSB中，一个总线事务还可能包含Arbitration Phase和Error Phase。而本节仅讲述图3-6中所示的4个基本阶段。

●Request Phase。Request Agent在获得FSB的地址总线的使用权后，在该阶段将访问数

据区域的地址和总线事务类型发送到FSB上。

图3-6 FSB的流水操作

●Snoop Phase。Snoop Agents根据访问数据区域在Cache中的命中情况，使用HIT#和HITM#信号，向其他Agents通知Cache一致性的结果。有时Snoop Agent需要将数据回写到存储器。

●Reponse Phase。Response Agent根据Request和Snoop Phase提供的信号，可以要求Re-quest Agent重试（Retry），或者Response Agent延时处理（Defer）当前总线事务。在FSB总线事务的各个阶段中，该步骤的处理过程最为复杂。本章将在下文结合PCI设备的DMA读写执行过程，说明该阶段的实现原理。

●Data Phase。一些不传递数据的FSB总线事务不包含该阶段。该阶段用来进行数据传递，包括Request Agent向Response Agent写入数据；Response Agent为Request Agent提供数据；和Snoop Agent将数据回写到Response Agent。

下面将使用本小节中的概念，描述在PCI总线中，与Cache相关的总线事务，并讲述相关的FSB的操作流程。