java - MESI协议(protocol)-INVALID如何处理？

Question

我正在尝试实现一个具有两级缓存(回写)的示例 MESI 缓存模拟器。我已将 MESI 状态位添加到两级缓存。由于它是回写式缓存，因此只有在刷新时缓存行才会更新为 L2。我的疑问是

1. 当具有 INVALID 状态的缓存行从 L1 缓存中刷新时应该出现什么行为。它会忽略交易吗？似乎这是唯一的可能性..但似乎不对。

2. 考虑处理器 1(P1) 修改处理器 2(P2) 共享的缓存行。然后 P2 中的缓存行将获得状态 INVALID。如果 P2 将来必须更新相同的缓存行并且看到状态为 INVALID，它应该从 P1 中读取更新的值？如果它仍处于修改状态(尚未写回 L2/主内存)怎么办？

3. 当核心请求不在其高速缓存中的地址时，它会尝试从其他 L1 高速缓存检索高速缓存行。如果在另一个缓存中发现它是MODIFIED，那么在检索之前是否应该先在主存或L2中更新它？

4. 所有状态转换都是一次性发生的吗？我的意思是，当一个像队列一样正在进行时，所有其他缓存写入/读取是否都会停止？否则，很可能会出现错误的状态转换。这会不会造成巨大的瓶颈？

Answer 1

1. 无效状态意味着那里没有缓存行，数据是垃圾，您可以忽略它。在稳定状态下(当缓存处于热状态时)，当某个行被某些刷新指令强制退出或被无效监听命中时(例如另一个核心想要修改它)，就会发生这种情况。

2. 与上一节一样 - 一旦该行在 P1 中失效，它就不再存在。最新数据不在 P2 中，并且包含修改 - 该行将收到 M 状态，表明它属于 P2 并且是脏的。如果 P2 将来应该更新该行，如果它仍然在那里(这意味着它不能在其他任何地方，无需检查 P1)，它可能会在 M 中命中它，或者它可能已经逐出该行，或者将修改传输到 L2 或内存。那时该行可以在任何地方，因此需要从 L2 或内存中获取它，并在 P1 中监听(如果它可能存在)(如果您知道 P1 此后还没有收到该行，大多数 CPU 都会实现监听过滤器来减少这种监听)。

3. 这是一个设计决策 - 您可以选择直接“转移”M 状态，尽管这种情况并不常见并且有注意事项。大多数CPU中常见的解决方案是将行写回到共享L2(在那里给它M状态，因为它仍然没有在内存中更新并且不能丢失)，或者(如果L2不包含并且行不在那里，并且您没有实现写分配)-将其一直写入内存。无论哪种方式，请求核心都可以在此过程中接收更新的行。

4. 请求通常会被缓冲，因为在处理时您必须将它们保存在某个地方。但是，在等待内存响应时，它们不必在队列中排序(它们确实需要排队才能提交和解决排序问题和转发案例，但这由排序/执行逻辑处理，而不是作为缓存的一部分)。事实上，缓冲区允许您并行保留多个请求，并以先到先服务的方式等待数据，假设您的执行硬件可以处理该情况(例如，如果您有一个无序引擎)，因此它远不是一个限制因素 - 瓶颈可能来自内存延迟或缺乏足够的缓冲区。同时更新两行并没有固有的问题(尽管如果您正在处理存储并且需要维护内存顺序(如顺序一致性或 TSO)，交换顺序是不好的)，但通常您有物理限制，如读取端口或数据总线的数量，这将允许您在一定程度上对缓存进行多次访问，并且只有在缓存正确存储的情况下。一致性并不是真正的问题，因为它通常早在内存单元中就已解决(包括存储到加载转发、阻塞等)。