MESI协议

MESI协议

July 18, 2022

MESI协议 #

我们先来了解 MESI 协议中，处理器对缓存的请求:

  1. PrRd：处理器请求从缓存块中读出；
  2. PrWr：处理器请求向缓存块写入。

而总线对缓存的请求分别是:

  1. BusRd：总线侦听到一个来自另一个处理器的读出缓存请求；
  2. BusRdX：总线侦听到来自另一个尚未取得该缓存块所有权的处理器读独占（或者写）缓存的请求；
  3. BusUpgr：侦听到一个其他处理器要写入本地缓存块上的数据的请求；
  4. Flush：总线侦听到一个缓存块被另一个处理器写回到主存的请求；
  5. FlushOpt：侦听到一个缓存块被放置在总线以提供给另一个处理器的请求，和 Flush 类似，但只不过是从缓存到缓存的传输请求。

缓存块的状态分为 4 种，也是 MESI 协议名字的由来：

  1. Modified（M）：缓存块有效，但是是“脏”的，其数据与主存中的原始数据不同，同时还表示处理器对于该缓存块的唯一所有权，表示数据只在这个处理器的缓存上是有效的；
  2. Exclusive（E）：缓存块是干净有效且唯一的；
  3. Shared（S）：缓存块是有效且干净的，有多个处理器持有相同的缓存副本；
  4. Invalid（I）：缓存块无效。

同样，我们用状态机来表示缓存块状态的变化，如下图所示：

在上图中，“/”前表示的是请求，这个请求可能来自 CPU 自己，也可能来自总线，“/”后表示的是当前请求所引起的总线事件，“-”表示不产生总线事件。

这个状态机看起来比较复杂，首先，图中的黑色箭头表示是由当前处理器发起的，红色箭头表示，这个事件是从总线来的，也就是由其他处理器发起的。

我们先看由处理器发起的请求（黑线部分）：

  1. M 状态：读写操作都不会改变状态，并且因为能够确定不会有其他副本，因此不会产生任何总线事务；
  2. E 状态：任何对该缓存块的读操作都会缓存命中，且不触发任何总线事务。一个对 E 状态的写操作，也不会产生总线事务，只需将缓存块状态改为 M；
  3. S 状态：当处理器读时，缓存命中，不产生总线事务。当处理器写时，需要产生 BusUpgr 事件，通知其他处理器我要写这个缓存块，并将缓存块状态置为 M；
  4. I 状态：当处理器发出读请求时，遇到缓存块缺失，要把数据加载进缓存，产生一个 BusRd 总线请求。内存控制器响应 BusRd 请求，将所需要的缓存块从内存中取出，同时会检查有没有其他处理器也有该缓存块拷贝，如果发现拷贝则将状态置为 S, 并且把其他有拷贝的处理器的状态也相应地置为 S；如果没有发现其他拷贝，则将状态置为 E。

接下来，我们看下由总线发起的请求（红色部分）：

  1. M 状态：该缓存块是整个系统里唯一有效的，并且内存的数据也是过时的。因此当侦听到 BusRd 时，缓存块必须被清空以保证写传播，所以会产生 Flush 事件。并且将状态置为 S。当侦听到 BusRdX 时，也必须产生 Flush 事件，因为有其他处理器要写，所以当前缓存块置为 I；
  2. E 状态：当侦听到 BusRd 请求时，说明另一个处理器遇到了缓存缺失，并试图获取该缓存块，因为最终的结果是要将这个缓存块，放在不止一个处理器缓存上，所以状态必须被置为 S。这样就会产生 FlushOpt 事件，来完成缓存到缓存的传输。当 BusRdX 被侦听到时，说明有其他处理器想要独占这个缓存块上的数据，这种情况下，本地缓存块将会被清空并且状态需要置为 I，同时也会产生 FlushOpt 事件，完成缓存到缓存的传输，将当前数据的最新值同步给需要进行写操作的其他处理器。而当侦听到 BusUpgr 时，说明其他处理器要写当前处理器持有的缓存副本，所以要将状态置为 I，但是不必产生总线事务；
  3. S 状态：当侦听到 BusRd 时，也就是另一个处理器遇到缓存缺失而试图获取该缓存块，因为 S 状态本身是共享的，所以状态保持 S 不变；
  4. I 状态：侦听到的 BusRd、BusRdX、BusUpgr 都不会影响它，所以忽略该情况，状态保持不变。

总体来讲，MESI 协议通过引入了 Modified 和 Exclusive 两种状态，并且引入了处理器缓存之间可以相互同步的机制，非常有效地降低了 CPU 核间带宽。它是当前设计中进行 CPU 核间通讯的主流协议，被广泛地使用在各种 CPU 中。

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