转自 https://blog.csdn.net/reliveit/article/details/50450136
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。
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。
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;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;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?
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。
在单核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
。
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
。
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
正是用于保证多个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。
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)
和写更新(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)。
cache line
是cache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:
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
;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。
读本地cache中的数据
;将数据写到本地cache
;其他核心发生read
;其他核心发生write
;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
到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)。
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
;
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
;
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
;
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
并修改状态为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
;
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
的四种状态(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
。
《大话处理器》Cache一致性协议之MESI
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