gem5学习（24）：缓存一致性协议——Cache Coherence Protocols

目录

一、Common Notations and Data Structures

1、Coherence Messages

2、Access Permissions

3、Data Structures

二、Coherence controller FSM Diagrams

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官网教程：gem5: Cache Coherence Protocols

一、Common Notations and Data Structures

（常用符号和数据结构）

1、Coherence Messages

一致性消息：这些消息在每个协议的-msg.sm文件中描述。

消息	描述
ACK/NACK	对等待解决方向后决定下一步动作的请求的肯定/否定确认。例如，写回请求、独占请求【如果接收方能够成功执行这个请求，它将发送 ACK 给发送方，表示已接收并成功执行了操作。如果接收方无法执行写回请求，它将发送 NACK 给发送方，表示无法执行该请求或需要进一步处理。】
GETS	请求共享权限以满足CPU的加载或IFetch。
GETX	请求独占访问。
INV	用于将缓存块失效的请求。当一个缓存块失效时，表示该缓存块中保存的数据不再有效，需要从下一个缓存级别或目录中获取最新的数据副本。这可以由一致性协议本身触发，也可以由下一个缓存级别/目录触发，以强制包含或触发DMA访问的写回，以获取最新的数据副本。
PUTX	请求写回缓存块。某些协议（例如MOESI_CMP_directory）仅在需要写回独占数据时使用此请求。
PUTS	请求以共享状态写回缓存块。
PUTO	请求以拥有状态写回缓存块。
PUTO_Sharers	请求以拥有状态写回缓存块，但仍存在其他共享该块的缓存。
UNBLOCK	解除阻塞的请求，用于解除下一级缓存级别或目录中的消息的阻塞状态。

2、Access Permissions

这些与每个缓存块相关联，确定对该块允许进行哪些操作。它与一致性协议状态密切相关。

权限	描述
Invalid	缓存块无效。表示该缓存块中保存的数据不再有效，需要从内存层次结构的其他位置获取最新的数据副本。对无效操作无动作（可能发送一个ACK）。对替换操作无动作。相关的一致性协议状态为I或NP，是每个协议中的稳定状态。
Busy	TODO（当前正在忙于处理任务，无法立即响应其他请求或执行其他操作）。
Read_Only	只允许加载、写回和使失效操作。在转换到其他状态之前不能执行存储操作。
Read_Write	允许加载、存储、写回和使失效操作。通常表示该块已被修改。

3、Data Structures

• 消息缓冲区（Message Buffers）：TODO（尚未提供相关信息或待进一步补充）
• TBE表：TODO（尚未提供相关信息或待进一步补充）
• 计时器表（Timer Table）：该表维护了一个基于地址的计时器映射。对于每个目标地址，可以关联并添加一个超时值（timeout value）到计时器表中。例如，MOESI_CMP_directory协议的L1缓存控制器实现使用这种数据结构来触发缓存块的单独超时。在内部，计时器表使用事件队列来安排超时。计时器表支持基于轮询的接口，可以使用isReady()方法检查是否发生了超时。可以使用set()方法设置地址的超时值，并使用unset()方法将超时值从计时器表移除。
• 相关文件：
  • src/mem/ruby/system/TimerTable.hh：声明TimerTable类
  • src/mem/ruby/system/TimerTable.cc：实现TimerTable类的方法，处理地址和超时的设置，使用事件队列调度事件。

二、Coherence controller FSM Diagrams

（一致性控制器有限状态机图表）

• 在有限状态机图表中，通常只显示稳定状态，即状态之间没有显示出具体的过渡。
• 使用"Event list"、"Event list : Action list"或"Event list : Action list : Event list"的注释来注释转换。【例如，"Store : GETX" 表示在 "Store" 事件上触发了状态的转换，并发送了一个 "GETX" 消息。而 "GETX : Mem Read" 表示在接收到 "GETX" 消息时触发了状态的转换，并发送了一个内存读取请求。】

  • "Event list"：表示在某个事件列表上触发了状态的转换。

  • "Event list : Action list"：表示在某个事件列表上触发了状态的转换，并执行了相应的动作列表。

  • "Event list : Action list : Event list"：表示在某个事件列表上触发了状态的转换，执行了相应的动作列表，并在转换后进入了另一个事件列表。

• 只列出了主要的触发器和动作，而可选的动作（例如根据块是否脏来决定是否进行写回）用方括号 [ ] 括起来。
• 在图表中，转换标签通常与横穿转换标签或最近的弧相关联，以显示状态之间的关系和转换的触发条件。