CPU设计之Cache-广播式一致性协议（三）

基于写更新/写回策略的缓存一致性协议

基于写无效策略的一个弊端在于会造成大量的一致性缺失，每一次读取被无效的块都会遇到缓存缺失，从而导致处理缺失的延迟会很高。

基于写更新的dragon协议，处理器端的请求包括：

PrRd：处理器请求从缓存块中读出；

PrRdMiss：处理器请求读的块不在缓存中；

PrWr：处理器请求向缓存块中写入；

PrWrMiss：处理器请求写的块不在缓存中。

总线请求包括：

BusRd：总线侦听到一个来自另一个处理器的读出缓存请求；

Flush：总线侦听到整个缓存块被另一个处理器放上总线的请求；

BusUpd：总线侦听到一个写入字操作导致的写入值在总线上传播的请求，这里只有一个字的数据被放上总线，而不是整个缓存块；

每一个缓存块的状态包含：

Modified：缓存块唯一有效，可能与主存的原始数据不一致，该状态意味着对该块的唯一所有权；

Exclusive：缓存块有效，干净且唯一；

Shared Modified：缓存块有效，可能是dirty的，也可能有多份拷贝。但是，当存在多份拷贝时，只有一份拷贝处于Sm状态，其它拷贝必须是Sc状态；

Shared Clean：缓存块有效，可能不干净，也可能有多份拷贝。

Dragon协议允许“脏”共享，此时所有者的状态为Sm，其他拷贝的状态为Sc。假设缓存使用写分配的策略，状态转换如下图。因为dragon协议中没有I状态，图中没有出处的箭头指向一个状态代表新加载的缓存块。先看处理器端的请求，首先是读缺失，总线上产生一个BusRd，如果其它缓存没有相应的拷贝，那么该块应该标记成E状态。相反，如果其它的缓存中有拷贝，则该块置为Sc状态。如果是写缺失情况，由于是写分配策略，因此总线上产生一个BusRd，如果不存在其它拷贝，则该块置为M。相反如果存在其它拷贝，该块置为Sm，并且总线上还需要产生一个BusUpd通知其它缓存更新。

如果一个块处于E状态，PrRd和PrWr请求都不会产生总线事务，不同的是PrWr请求会改变块状态为M。

如果一个块处于M状态，PrRd和PrWr请求也都不会产生总线事务，因为没有其它的拷贝存在。

如果一个块处于Sc状态，处理器写请求会检查是否存在其它拷贝，如果存在，需要把状态置为Sm，成为该块的所有者。相反如果不存在其它拷贝，状态置为M。

如果缓存块处于Sm，处理器读请求不会改变其状态，也不会触发总线事务。处理器写请求可能不改变Sm状态，因为它还是该块的所有者；也可能会改变状态为M，如果这是它已经是唯一的拷贝。

图1 dragon更新一致性协议状态转换

对于侦听端，如果缓存块处于E状态，当侦听到BusRd时，块状态需要变成Sc。

如果是M状态，说明自己拥有的块是整个系统中唯一有效的，当侦听到BusRd，块必须被清空来保证写传播。

如果是Sc状态，BusRd意味着另外的处理器遇到了读缺失，由于不是所有者，所以不需要触发总线事务。侦听到BusUpd，则该字的更新被获取并用于更新当前的缓存块。

如果是处于Sm状态，说明本地缓存是所有者，侦听到BusRd需要清空该块；侦听到BusUpd，即一个请求者试图写入该块，因此请求者会成为新的所有者，本地的状态需要变为Sc。