CPU cache结构和缓存一致性(MESI协议)

转自 https://blog.csdn.net/reliveit/article/details/50450136

一、cache

cpu cache已经发展到了三级缓存结构,基本上现在买的个人电脑都是L3结构。

1. cache的意义

cpu中运行的数据存储在寄存器中。为什么需要CPU cache?因为CPU的频率太快了,快到主存跟不上,这样在处理器时钟周期内,CPU常常需要等待主存浪费资源。所以cache的出现,是为了缓解CPU和内存之间速度的不匹配问题(结构:cpu -> cache -> memory)。

CPU cache有什么意义?cache的容量远远小于主存,因此出现cache miss在所难免,既然cache不能包含CPU所需要的所有数据,那么cache的存在真的有意义吗?

当然是有意义的——局部性原理

  • A. 时间局部性:如果某个数据被访问,那么在不久的将来它很可能被再次访问;
  • B. 空间局部性:如果某个数据被访问,那么与它相邻的数据很快也可能被访问;

2. cache和寄存器

存储器的三个性能指标——速度、容量和每位价格——导致了计算机组成中存储器的多级层次结构,其中主要是缓存和主存、主存和磁盘的结构。那么在主存之上,cache和寄存器之间的关系是?
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举个例子,当你在思考一个问题的时候,寄存器存放的是你当前正在思考的内容,cache存放的是与该问题相关的记忆,主存则存放无论与该问题是否有关的所有记忆,所以,寄存器存放的是当前CPU执行的数据,而cache则缓存与该数据相关的部分数据,因此只要保证了cache的一致性,那么寄存器拿到的数据也必然具备一致性。

二、CPU cache结构

1. 单核CPU cache结构

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单核CPU结构中,为了缓解CPU指令流水中cpu的时钟周期cycle冲突,L1分成了指令(L1P)和数据(L1D)两部分,而L2则是指令和数据共存

2. 多核CPU cache结构

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多核CPU的结构与单核相似,但是多了所有CPU共享的L3三级缓存。在多核CPU的结构中,L1和L2是CPU私有的L3则是所有CPU核心共享的

三、MESI(缓存一致性)

缓存一致性协议(MESI协议)的由来

缓存一致性:在多核CPU中,内存中的数据会在多个核心中存在数据副本,某一个核心发生修改操作,就产生了数据不一致的问题。而一致性协议是用于保证多个CPU cache之间缓存共享数据的一致

至于MESI,则是缓存一致性协议中的一个,到底怎么实现,还是得看具体的处理器指令集。

1. cache的写方式

cache的写操作方式可以追溯到大学教程《计算机组成原理》一书。

A. write through(写通)每次CPU修改了cache中的内容立即更新到内存,也就意味着每次CPU写共享数据,都会导致总线事务,因此这种方式常常会引起总线事务的竞争高一致性,但是效率非常低

B. write back(写回)每次CPU修改了cache中的数据不会立即更新到内存,而是等到cache line在某一个必须或合适的时机才会更新到内存中

无论是写通还是写回,在多线程环境下都需要处理缓存cache一致性问题。为了保证缓存一致性,处理器又提供了写失效(write invalidate)写更新(write update)两个操作来保证cache一致性

  • 写失效:当一个CPU修改了数据,如果其他CPU有该数据则通知其为无效
  • 写更新:当一个CPU修改了数据,如果其他CPU有该数据则通知其跟新数据

写更新会导致大量的更新操作,因此在MESI协议中,采取的是写失效(即MESI中的I:invalid,如果采用的是写更新,那么就不是MESI协议了,而是MESU协议)。

2. cache line

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cache linecache与内存数据交换的最小单位,根据操作系统一般是32byte或64byte。在MESI协议中,状态可以是M、E、S、I地址则是cache line中映射的内存地址数据则是从内存中读取的数据。

工作方式: 当CPU从cache中读取数据的时候,会比较地址是否相同,如果相同则检查cache line的状态再决定该数据是否有效无效则从主存中获取数据,或者根据一致性协议发生一次cache-to-chache的数据推送(参见MESI协议,文章最后的链接);

工作效率: 当CPU能够从cache中拿到有效数据的时候消耗几个CPU cycle如果发生cache miss,则会消耗几十上百个CPU cycle

cache的工作原理以及在主板上的结构如下两图所示:

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3. 状态介绍

MESI协议将cache line的状态分成modify、exclusive、shared、invalid,分别是修改、独占、共享和失效

  • modify修改当前CPU cache拥有最新数据(最新的cache line),其他CPU拥有失效数据(cache line的状态是invalid),虽然当前CPU中的数据和主存是不一致的,但是以当前CPU的数据为准
  • exclusive独占只有当前CPU中有数据,其他CPU中没有改数据,当前CPU的数据和主存中的数据是一致的
  • shared共享:当前CPU和其他CPU中都有共同数据并且和主存中的数据一致
  • invalid失效当前CPU中的数据失效数据应该从主存中获取,其他CPU中可能有数据也可能无数据,当前CPU中的数据和主存被认为是不一致的

对于invalid而言,在MESI协议中采取的是写失效(write invalidate)

  • 写失效:当一个CPU修改了数据,如果其他CPU有该数据则通知其为无效
  • 写更新:当一个CPU修改了数据,如果其他CPU有该数据则通知其跟新数据

4. cache操作

MESI协议中,每个cache的控制器 不仅知道自己的操作(local read和local write),每个核心的缓存控制器通过监听 也知道其他CPU中cache的操作(remote read和remote write),今儿再确定自己cache中共享数据的状态是否需要调整。

  • local read(LR):读本地cache中的数据
  • local write(LW):将数据写到本地cache
  • remote read(RR):其他核心发生read
  • remote write(RW):其他核心发生write

5. 状态转换和cache操作

如上文内容所述,MESI协议中cache line数据状态有4种,引起数据状态转换的CPU cache操作也有4种,因此要理解MESI协议,就要将这16种状态转换的情况讨论清楚。

初始场景: 在最初的时候,所有CPU中都没有数据,某一个CPU发生读操作,此时必然发生cache miss,数据从主存中读取到当前CPU的cache,状态为E独占(独占,只有当前CPU有数据,且和主存一致),此时如果有其他CPU也读取数据,则状态修改为S共享(共享,多个CPU之间拥有相同数据,并且和主存保持一致),如果其中某一个CPU发生数据修改,那么该CPU中数据状态修改为M(拥有最新数据,和主存不一致,但是以当前CPU中的为准),其他拥有该数据的cpu核心通过缓存控制器监听remote write行文,然后将自己拥有的数据的cache line状态修改为I失效(失效,和主存中的数据被认为不一致,数据不可用应该重新获取)。

5.1 modify

场景: 当前CPU中数据的状态是modify,表示当前CPU中拥有最新数据,虽然主存中的数据和当前CPU中的数据不一致,但是以当前CPU中的数据为准;

LR: 此时如果发生local read,即当前CPU读数据,直接从cache中获取数据拥有最新数据因此状态不变

LW: 直接修改本地cache数据,修改后也是当前CPU拥有最新数据,因此状态不变;

RR: 因为本地内存中有最新数据,当本地cache控制器监听到总线上有RR发生的时,必然是其他CPU发生了读主存的操作,此时为了保证一致性当前CPU应该将数据写回主存而随后的RR将会使得其他CPU和当前CPU拥有共同的数据因此状态修改为S

RW: 同RR,当cache控制器监听到总线发生RW当前CPU会将数据写回主存因为随后的RW将会导致主存的数据修改因此状态修改成I

5.2 exclusive

场景: 当前CPU中的数据状态是exclusive,表示当前CPU独占数据(其他CPU没有数据)并且和主存的数据一致

LR: 从本地cache中直接获取数据,状态不变;

LW: 修改本地cache中的数据状态修改成M(因为其他CPU中并没有该数据,因此不存在共享问题,不需要通知其他CPU修改cache line的状态为I);

RR: 本地cache中有最新数据,当cache控制器监听到总线上发生RR的时候,必然是其他CPU发生了读取主存的操作,而RR操作不会导致数据修改,因此两个CPU中的数据和主存中的数据一致,此时cache line状态修改为S

RW: 同RR,当cache控制器监听到总线发生RW,发生其他CPU将最新数据写回到主存,此时为了保证缓存一致性,当前CPU的数据状态修改为I

5.3 shared

场景: 当前CPU中的数据状态是shared,表示当前CPU和其他CPU共享数据,且数据在多个CPU之间一致、多个CPU之间的数据和主存一致;

LR: 直接从cache中读取数据,状态不变;

LW: 发生本地写,并不会将数据立即写回主存,而是在稍后的一个时间再写回主存,因此为了保证缓存一致性,当前CPU的cache line状态修改为M并通知其他拥有该数据的CPU该数据失效,其他CPU将cache line状态修改为I

RR: 状态不变,因为多个CPU中的数据和主存一致;

RW: 当监听到总线发生了RW,意味着其他CPU发生了写主存操作,此时本地cache中的数据既不是最新数据,和主存也不再一致,因此当前CPU的cache line状态修改为I

5.4 invalid

场景: 当前CPU中的数据状态是invalid,表示当前CPU中是脏数据,不可用,其他CPU可能有数据、也可能没有数据

LR: 因为当前CPU的cache line数据不可用,因此会发生读内存,此时的情形如下。

  • A. 如果其他CPU中无数据则状态修改为E

  • B. 如果其他CPU中有数据且状态为S或E则状态修改为S

  • C. 如果其他CPU中有数据且状态为M,那么其他CPU首先发生RW将M状态的数据写回主存修改状态为S随后当前CPU读取主存数据,也将状态修改为S

LW: 因为当前CPU的cache line数据无效,因此发生LW会直接操作本地cache,此时的情形如下。

  • A. 如果其他CPU中无数据,则将本地cache line的状态修改为M

  • B. 如果其他CPU中有数据且状态为S或E则修改本地cache通知其他CPU将数据修改为I当前CPU中的cache line状态修改为M

  • C. 如果其他CPU中有数据且状态为M则其他CPU首先将数据写回主存并将状态修改为I当前CPU中的cache line转台修改为M

RR: 监听到总线发生RR操作,表示有其他CPU读取内存,和本地cache无关,状态不变

RW: 监听到总线发生RW操作,表示有其他CPU写主存,和本地cache无关,状态不变

5.5 总结

MESI协议为了保证多个CPU cache中共享数据的一致性,定义了cache line四种状态(MSEI),而CPU对cache的4种操作可能会产生不一致状态,因此cache控制器监听到本地操作和远程操作的时候,需要对地址一致的cache line状态做出一定的修改,从而保证数据在多个cache之间流转的一致性

四、资源奉送

《大话处理器》Cache一致性协议之MESI


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