计算机系统结构-第5章-监听式协议

监听式协议******：

思想:

每个Cache除了包含物理存储器中块的数据拷贝之外，也保存着各个块的共享状态信息。

Cache通常连在共享存储器的总线上，当某个Cache需要访问存储器时，它会把请求放到总线上广播出去，其他各个Cache控制器通过监听总线（它们一直在监听）来判断它们是否有总线上请求的数据块。如果有，就进行相应的操作。

3个关键:

1：处理器之间通过一个可以实现广播的互连机制相连 （链接）

2：当一个处理器的Cache响应本地CPU的访问时，如果它涉及全局操作，其Cache控制器就要在获得总线的控制权后，在总线上发出相应的消息（发送者）

3：所有处理器都一直在监听总线，它们检测总线上的地址在它们的Cache中是否有副本。若有，则响应该消息，并进行相应的操作 。（接受者）

写操作的串行化：由总线实现（获取总线控制权的顺序性）

发送到总线的信息：1-读不命中 ；2-写不命中

这个时候需要通过总线找到相应的数据块的最新版本，然后调入本地的cache

（cache的种类：
写直达Cache：因为所有写入的数据都同时被写回主存，所以从主存中总可以取到其最新值。

写回Cache：得到数据的最新值会困难一些，因为最新值可能在某个Cache中，也可能在主存中。

）

我们就考虑难的！（简单的也不出题）

有时候，还有多出来一个发送的消息：Invalidate消息，用来通知其他各处理器作废其Cache中相应的副本。

（这个和WriteMiss是有区别的，WriteMiss是写不命中，然后回去调取对应的块，但是这个无效化不会）

下面我们先确定好一些概念：

概念;

Cache的标识（tag）可直接用来实现监听。

作废一个块只需将其有效位置为无效。

给每个Cache块增设一个共享位：为“1”：多个处理器所共享，为“0”：某个处理器所独占

块的拥有者：拥有该数据块的唯一副本的处理器。

每个节点内部会有一个有限状态的控制器；
无效（简称I）：Cache中该块的内容为无效。

共享（简称S）：该块可能处于共享状态。(要求共享的块的内容都要相同）

已修改（简称M）：该块已经被修改过，并且还没写入存储器。（要确保这个独占，全系统唯一）

所以我们现在来总体的考虑具体的情况*******；

I:请求来自处理器：（发送）
（

处理器可能会：读命中，读不命中，写命中，写不命中，

但是最后发出去的消息只可能是：读写不命中和Invalidate

cache可能是IMS，三个状态之一

）

(注意这里都是针对的块)

1：什么时候读命中？

要不cache对应的块是S要不就是M,如果是I的话就是读不命中了

(表格，状态机，图例如下）

2：什么时候读不命中

我们的cache块是失效I的，我们需要把读不命中放在总线去

我们的cache块虽然是S，但是地址不对，我们也需要把读不命中放在总线

我们的cache块虽然是M，但是地址不对，我要先写回这个块，然后再去把读不命中放总线

对于第一种情况，读入的就是共享的数据了（不管是来自其他的cache还是存储器），所以I->S,这里的S强调一致性，cache和存储的一致性

第二种得到数据后也是share,只是对应的地址块不同了

第三种会把M->S，然后回显写回块,然后再去替换

3：什么时候写命中？

如果是I,那就是写不命中了，因为这个数据块无效的，不会发生写命中

如果是S,将其修改为M，然后发出I消息，作废这个块上的其他版本（命中==地址是对的）

如果是M，我们会把自然的写入数据（不会写回存储器,因为最新版本都在他自己身上）

4：什么时候写不命中？

如果我们对应的块是I，可能是不命中了，发出写不命中的消息,尝试让别人提供给他目标的块,然后去写入

如果对应的块是S,但是不是对应的地址，把写不命中放在总线上，尝试让别人去提供目标块,然后去写入对应的位置

如果对应的块是M，但是地址不对应，就会先写回这里的地址，然后把写不命中发出,让别人给他这个目标快,然后去写入

（在这可以思考下，如果是S的其他处理器收到了对应块位置的写不命中消息，会干甚？是不是地址不对了，对应记录的数据就无效了？让我们接下来看看）

II:请求来自总线（接收）

（

总线会发来：两个不命中和Invalidate3个信息

我们的caceh状态可能是IMS3个中的一个

）

1：收到读不命中怎么办？

先想想什么时候别人的cache会发送读不命中，是不是IMS都有可能！

想想什么时候我们的cache会收到影响？什么时候我们会去响应这个信号！！我们有对应的数据(SM),尝试去共享!!!

如果我们是I或者是和我们的地址不对应，肯定不会响应的，因为我干不了什么事情

如果我们是匹配的S,我们就是不是可能尝试去共享这个数据给发送者（也可能对方更快的找到了存储器，因为数据是一致的）！！！

如果我们是匹配的M,我们是不是也会尝试去共享，但是注意！！！！！！共享之后我们的状态还是独占吗？不是了，所以要先写回数据，并且中止他对存储器的访问，因为存储器的数据错误！！！！！然后去共享数据，把M->S

2 :  什么时候会收到写不命中？？

首先，对方写不命中，之后肯定会写入到cache中，并做一个独占是吧，所以为什么我们会响应这个写不命中尼?是不是就是要去写的就是我们现在拥有的那个,所以我们可能是SM

首先，可能是地址匹配我才会去管是吧，然后如果本来就是I就不用管，其他的S,M都要变成I

（但是由于设计的原因，发送方需要把数据得到后再去写入，所以这里的S可以尝试共享，M就要同时提供给发送发和存储器）

为什么要这么设计？？？

因为我们的cache里面是存的是cache块，里面不是一个数据，是一堆数据，只是里面的部分数据修改了，所以不能够发送方直接拿着自己的块就开始写，显然是不对的，所以需要拿到整个块（包括修改部分的相邻数据），然后再去写里面对应的地方

3：什么时候会收到失效？

肯定是有处理器尝试去写入共享块，才会发出一个信息让共享块失效，所以我们回一下，是不是只有写命中的S会发出这个信号！！！！(写命中的M不会发出，反正都是他自己独占)

那么对应的，会收到影响的是不是也就只是对应地址的S状态！！！！

(M收不到，因为如果一个块呗独占了，外面不会发生命中)

好了，这样的话，我们就算是梳理完成了

整理一下

相应（接收）请求的状态机

（开始回忆，什么时候收到失效？我们做出了什么状态的变化？什么时候收到读不命中？我们会做出什么变化？什么时候回收到写不命中？我们的那些状态改变了？中间我们做了哪些事情？）

发出请求的时候的状态机：
（我们有哪4种情况？会发出哪3个消息，每个不同的情况我们会做什么？什么时候读命中？针对我们自己那些状态会改变？什么时候读不命中？我们的那些状态会改变？什么时候回写命中？我们的那些状态会改变？什么时候写不命中？我们的状态会发生什么改变？

）

发生替换时：

如果发生替换的话：

总结一下问题：

1：并发问题，因为这个都是假定的每个操作具有原子性，但是实际不是的，可能会有死锁，竞争，可以通过发送Invalidate的cpu占用总线来解决

2：一个块一开始不在cache中，读取的时候会变成share（他是唯一的缓存副本，但是还是会按照多个版本的去处理）

进一步的优化：加入一个状态表示数据是干净的 or owned