如何保證緩存一致性

“ 本文的參考文章是2022年HOT 34上Intel Rob Blakenship關于CXL緩存一致性的一篇介紹?！?/p>

馮諾依曼說，數據應該存在這里，這里變成了存儲器；

馮諾依曼說，數據應該在這里被計算，這里變成了CPU；

馮諾依曼沒有說，CPU太快而存儲太慢。CPU沒有辦法只能把一部分數據留在身邊，慢慢地就成了各級緩存。每個CPU都留了一部分數據在身邊，就得維護這些數據和內存的一致性。

（有時間可以再聊聊拜占庭將軍問題和共識機制，又要分布式的好，還有集中式的一致性，有點類似。）

1緩存/caching

緩存就是臨時把數據存在靠近數據要消費的地方。

放數據的地方有不同的級別，不同級別的延時和帶寬都不一樣，因此就會有預取。更詳細的硬件預取器的文章可以參考以下幾篇拙作。

預取就是在數據真正需求之前把數據取回來。既然可以預取就說明數據具有兩個性質：

空間局部性：一般來說需求的數據在之前的數據附近

時間局部性：一般來說需求的數據總是之前用過的

現代CPU一般都會有多級的緩存，并且他們都可以保持緩存一致。

L1：空間最小，延時最低，帶寬最高

L3：空間更大，延時更高，帶寬較低，并且支持多個數據需求來源

那么如何保證緩存一致性呢？

首先需要在更新緩存之前，確保使得其他人擁有的該緩存無效。

這可以通過軟件的手段，也可以通過硬件的手段。CXL使用硬件一致性。

CXL和CPU的緩存一致性協議相同，都是基于以下幾個狀態：

Modified：該數據只被緩存到一個cache中，可讀可寫，但是還沒有更新到內存中；

Exclusive：該數據只被緩存到一個cache中，可讀可寫，數據與內存同步；

Shared：該數據被緩存到多個cache中，可讀，數據與內存同步；

Invalid：該數據沒有被緩存；

2緩存的家 Home

內存以64Byte為單位分好，這一份就是一個cacheline。

系統通過物理地址把這些單位都安排好，然后交給Home Agent來管理，有且僅有一個。

也就是說一個cacheline，只有一個家，例如在兩路系統中，要么是CPU0，要么是CPU1。

比如說，你要讀一個cacheline，你會首先在本地的cache里找，如果沒有的話，你就會去找它的家。也就是Home Agent會去問其他的CPU是不是有這個緩存。

如果你要寫一個cacheline，你也需要找它的家，獲取寫權限，然后讓Home Agent告訴其他的CPU放棄該cacheline，當然在放棄之前，需要把最新的數據回寫給Home Agent。

Home Agent怎么問其他CPU，或者修改cacheline的狀態呢？這個就是Snoop消息。

3CXL 緩存協議

為支持設備訪問系統主存，cxl.cache有15個讀寫操作指令。

CXL3.0開始，每一個端口可以最多支持16個緩存設備，而在此之前，只能支持一個。

在CPU和CXL設備之間，有兩個通訊方向，一個是H2D，一個是D2H。

顧名思義，host和device 的兩個方向。而每個方向分成三個通道/channel，分別為請求，響應和數據通道。

4舉個栗子

Device首先發一個RdShared：Read Cacheline Share State。設備獲取了某個cacheline并且獲得S-state，然后host返回Go-S。表示Home Agent同意了這個請求，并且該設備的cacheline變成了Shared state。

看看就好，不能動手。

這里的peer cache可以是各種鄰居：

CXL的鄰居設備；

本CPU中的cache；

遠端CPU中的cache；

而這里的內存控制器也可以是各種內存：

本CPU的傳統DDR；

遠端CPU的傳統DDR；

鄰居CXL設備上的CXL.mem；

CXL的15個request，就不再一一解釋，露個臉：

Reads: RdShared, RdCurr, RdOwn, RdAny

Read-0: RdownNoData, CLFlush, CacheFlushed

Writes: DirtyEvict, CleanEvict, CleanEvictNoData

Streaming Writes: ItoMWr, WrCur, WOWrInv, WrInv(F)

5內存池化和共享

池化內存和CXL switch是CXL增加的內容，這使得從host到內存的專屬分配成為共享內存的一種方式。

CXL3增加了多個host共享內存的支持，利用HDM-DB。

先寫到這里，緩存一致性的具體流程不再詳細解釋，細心一點的朋友可以多找幾個例子，按照圖示和步驟對照一下。

審核編輯：湯梓紅