Cache一致性協議之MESI

處理器上有一套完整的協議，來保證cache一致性。比較經典的cache一致性協議當屬mesi協議，奔騰處理器有使用它，很多其他的處理器都是使用它的變種。

單核cache中每個cache line有2個標誌：dirty和valid標誌，它們很好的描述了cache和memory(記憶體)之間的資料關係(資料是否有效，資料是否被修改)，而在多核處理器中，多個核會共享一些資料，mesi協議就包含了描述共享的狀態。

在mesi協議中，每個cache line有4個狀態，可用2個bit表示，它們分別是：

狀態描述

m(modified)

這行資料有效，資料被修改了，和記憶體中的資料不一致，資料只存在於本cache中。

e(exclusive)

這行資料有效，資料和記憶體中的資料一致，資料只存在於本cache中。

s(shared)

這行資料有效，資料和記憶體中的資料一致，資料存在於很多cache中。

i(invalid)

這行資料無效。

mesi狀態

m(modified)和e(exclusive)狀態的cache line，資料是獨有的，不同點在於m狀態的資料是dirty的(和記憶體的不一致)，e狀態的資料是clean的(和記憶體的一致)。

s(shared)狀態的cache line，資料和其他core的cache共享。只有clean的資料才能被多個cache共享。

i(invalid)表示這個cache line無效。

e狀態示例如下：

只有core 0訪問變數x，它的cache line狀態為e(exclusive)。

s狀態示例如下：

3個core都訪問變數x，它們對應的cache line為s(shared)狀態。

m狀態和i狀態示例如下：

m狀態和i狀態

core 0修改了x的值之後，這個cache line變成了m(modified)狀態，其他core對應的cache line變成了i(invalid)狀態。

在mesi協議中，每個cache的cache控制器不僅知道自己的讀寫操作，而且也監聽(snoop)其它cache的讀寫操作。每個cache line所處的狀態根據本核和其它核的讀寫操作在4個狀態間進行遷移。

mesi協議狀態遷移圖如下：

mesi協議狀態遷移圖

在上圖中，local read表示本核心讀本cache中的值，local write表示本核心寫本cache中的值，remote read表示其它核心讀其它cache中的值，remote write表示其它核心寫其它cache中的值，箭頭表示本cache line狀態的遷移，環形箭頭表示狀態不變。

當核心需要訪問的資料不在本cache中，而其它cache有這份資料的備份時，本cache既可以從記憶體中匯入資料，也可以從其它cache中匯入資料，不同的處理器會有不同的選擇。mesi協議為了使自己更加通用，沒有定義這些細節，只定義了狀態之間的遷移，下面的描述假設本cache從記憶體中匯入資料。

mesi狀態之間的遷移過程如下：

當前狀態

mesi狀態遷移

amd的opteron處理器使用從mesi中演化出的moesi協議，o(owned)是mesi中s和m的乙個合體，表示本cache line被修改，和記憶體中的資料不一致，不過其它的核可以有這份資料的拷貝，狀態為s。

intel的core i7處理器使用從mesi中演化出的mesif協議，f(forward)從share中演化而來，乙個cache line如果是forward狀態，它可以把資料直接傳給其它核心的cache，而share則不能。

---------------------