【计算机组成与体系结构Ⅱ】多Cache一致性的模拟分析（实验）

实验八：多Cache一致性的模拟分析

一、实验目的

1：加深对多 Cache 一致性的理解。

2：进一步掌握解决多 Cache一致性的目录协议和监听协议的基本思想。

3：掌握在各种情况下，目录协议和监听协议是如何工作的，能给出要进行什么样的操作以及状态的变化情况。

二、实验平台

多 Cache一致性目录协议模拟器和监听协议模拟器

三、实验内容和步骤

Part I：多 Cache 一致性目录协议的模拟与分析

1：掌握多 Cache一致性目录协议模拟器的使用方法

点击【帮助】——【使用说明】，即可查看目录法模拟器的使用方法。

【0：基本显示】

该模拟器模拟4个CPU（A、B、C、D）访存的工作过程。每个CPU中都有一个Cache，该Cache包含4个块，其块地址为0~3。分布式共享存储器中有32个块，其块地址为0~31。Cache中每个块的状态用色块来表示，其中灰色表示“无效”状态，淡青色表示“共享”，橘红色表示“独占”。主存中块的状态由其右边的目录项的颜色来表示，未缓冲状态由黄色来表示，其他两种状态同Cache块。

对于每个CPU，可以指定所要进行的访问是读还是写（从列表中选），并在输入框中输入所要访问的主存块号，然后用鼠标点击在其右边的标有+的按钮，模拟器就将开始演示该在执行过程中，模拟器会在窗口的左上角显示相关的信息。

该模拟器的主菜单有4个:配置，操作，统计，帮助。

【1：配置】

该菜单用于进行配置参数的显示与设置。你可以修改动画播放速度:把游标往右边拖搜可提高播放速度，往左边拖拽可降低播放速度。你还可以选择是否进行优化传块。优化传块是指当要访问的块在某个Cache中，且处于独占状态时，可以不用等该块写回主存后再从主存调块，而是可以直接将该块传送给发出访问请求的结点。

本模拟器采用直接映象方法和写回法。

【2：操作】

可以通过该菜单中的选项来控制模拟器的执行。该菜单下有以下3个选项:单步执行、连续执行、复位。

单步执行：选用该方式后，点击鼠标或点击左上角的“步进”按钮，都会使模拟器前进一步。
连续执行：选用该方式后，用鼠标点击标有+的按钮，模拟器会连续演示整个过程，直至该访问结束。
复位：使模拟器复位，回到初始状态。

【3：统计】

该菜单用于显示模拟器的统计结果，包括各处理机的访问次数、命中次数、不命中次数以及命中率。

【4：帮助】

该菜单下有“关于”和“使用说明”两个选项。

2：对于以下访问序列，写出目录协议所进行的操作

所进行的访问	目录协议所进行的操作
CPU A 读第 6 块	CPU读Cache A Cache A不命中本地向宿主发读不命中(A，6)消息宿主把数据块送给本地共享集合为{A} CPU读Cache A第2行
CPU B 读第 6 块	CPU读Cache B Cache B不命中本地向宿主发读不命中(B，6)消息宿主把数据块送给本地共享集合为{A，B} CPU读Cache B第2行
CPU D 读第 6 块	CPU读Cache D Cache D不命中本地向宿主发读不命中(D，6)消息宿主把数据块送给本地共享集合为{A，B，D} CPU读Cache D第2行
CPU B 写第 6 块	CPU写Cache B Cache B命中本地向宿主发写命中(B，6)消息宿主向远程结点A发作废(6)消息宿主向远程结点D发作废(6)消息共享集合为{B} CPU写Cache B第2行
CPU C 读第 6 块	CPU读Cache C Cache C不命中本地向宿主结点发读不命中(C，6)消息宿主给远程发取数据块(6)的消息（写回）远程把数据块送给宿主结点（写回ing）宿主把数据块送给本地结点（写回主存后再写cache）共享集合为{B，C} CPU读Cache C第2行
CPU D 写第 20 块	CPU写Cache D Cache D不命中本地向宿主结点发写不命中(D，20)消息宿主把数据块送给本地结点共享集合为{D} CPU写Cache D第0行
CPU A 写第 20 块	CPU写Cache A Cache A不命中本地向宿主结点发写不命中(A，20)消息宿主给远程结点发送取并作废(20)的消息远程把数据块送给宿主结点（写回），把Cache中的该块作废宿主把数据块送给本地结点共享集合为{A} CPU写Cache A第0行
CPU D 写第 6 块	CPU写Cache D Cache D不命中本地向宿主结点发写不命中(D，6)消息宿主给远程结点发送取并作废(6)的消息宿主给远程结点发送取并作废(6)的消息宿主把数据块送给本地结点共享集合为{D} CPU写Cache D第2行
CPU A 读第 12 块	CPU读Cache A Cache A不命中本地向被替换块的宿主结点发写回（替换第20块后需要写回，因为只有1个副本）并修改共享集(A，20)消息本地向宿主结点发读不命中(A，12)消息宿主把数据块送给本地结点共享集合为{A} CPU读Cache A第0行

【访问序列】

【Cache模拟器统计信息】

3：自己编写一个访问序列，写出目录协议所进行的操作

所进行的访问	是否发生替换	是否发生写回	目录协议所进行的操作
CPU A 读第 5 块	否	否	读cache A，不命中本地：向宿主结点发读不命中（A，5）消息宿主：把数据块送给本地结点共享集合为：{A} 数据送入cache A的第1行，由CPU A读取
CPU B 读第 5 块	否	否	读cache B，不命中本地：向宿主结点发读不命中（B，5）消息宿主：把数据块送给本地结点共享集合为：{A，B} 数据送入cache B的第1行，由CPU B读取
CPU C 读第 5 块	否	否	读cache C，不命中本地：向宿主结点发读不命中（C，5）消息宿主：把数据块送给本地结点共享集合为：{A，B，C} 数据送入cache C的第1行，由CPU C读取
CPU B 写第 5 块	否	否	写cache B，命中本地：向宿主结点发写命中（B，5）消息宿主：向远程结点A发作废（5）消息宿主：向远程结点C发作废（5）消息共享集合为：{B} CPU B写cache B第1行【独占】
CPU D 读第 5 块	否	是	读cache D，不命中本地：向宿主结点发读不命中（D，5）消息宿主：给远程结点发取数据块（5）的消息远程：把数据块送给宿主结点【cache B第1行对应的主存第5块，写回主存】宿主：把数据块送给本地结点共享集合为：{B，D} 数据送入cache D的第1行，由CPU D读取
CPU B 写第 21 块	是	否	写cache B，不命中本地：向被替换块的宿主结点发修改共享集（B，5）消息【cache B第1行对应的主存第5块替换为第21块】本地：向宿主结点发写不命中（B，21）消息宿主：把数据块送给本地结点共享集合为：{B} CPU B写cache B第1行【独占】
CPU A 写第 23 块	否	否	写cache A，不命中本地：向宿主结点发写不命中（A，23）消息宿主：把数据块送给本地结点共享集合为：{A} CPU A写cache A第3行【独占】
CPU C 写第 23 块	否	是	写cache C，不命中本地：向宿主结点发写不命中（C，23）消息宿主：给远程结点发送取并作废（23）的消息远程：把数据块送给宿主结点，把cache中的该块作废【cache A第3行对应的主存第23块，写回主存】宿主：把数据块送给本地结点共享集合为：{C} CPU C写cache C第3行【独占】
CPU B 读第 29 块	是	是	读cache B，不命中本地：向被替换块的宿主结点发写回并修改共享集（B，21）消息【cache B第1行对应的主存第21块替换为第29块，并写回主存第21块】本地：向宿主结点发读不命中（B，29）消息宿主：把数据块送给本地结点共享集合为：{B} 数据送入cache B的第1行，由CPU B读取
CPU B 写第 5 块	是	否	写cache B，不命中本地：向被替换块的宿主结点发修改共享集（B，29）消息【cache B第1行对应的主存第29块替换为第5块】本地：向宿主结点发写不命中（B，5）消息宿主：向远程结点发作废（5）消息宿主：把数据块送给本地结点共享集合为：{B} CPU B写cache B第1行【独占】

【访问序列】

【Cache模拟器统计信息】

4：根据上述结果，画出相关的状态转换图（仅画出与上表有关的部分）

5：目录协议的基本思想是什么？

目录协议的核心：物理存储器中共享数据块的状态及相关信息存在目录中。

PART II：多 Cache 一致性监听协议的模拟与分析

1：掌握多 Cache 一致性监听协议模拟器的使用方法

点击【帮助】——【使用说明】，即可查看目录法模拟器的使用方法。

2：对于以下访问序列，写出监听协议所进行的操作

所进行的访问	是否发生替换	是否发生写回	监听协议所进行的操作
CPU A 读第 5 块	否	否	CPU读Cache A Cache A不命中总线不命中数据从存储器第5块送入Cache A第1块 CPU读Cache A第1块，显示共享
CPU B 读第 5 块	否	否	CPU读Cache B Cache B不命中总线不命中数据从存储器第5块送入Cache B第1块 CPU读Cache B第1块，显示共享
CPU C 读第 5 块	否	否	CPU读Cache C Cache C不命中总线不命中数据从存储器第5块送入Cache C第1块 CPU读Cache C第1块，显示共享
CPU B 写第 5 块	否	否	CPU写Cache B Cache B命中总线作废 Cache A第1块和Cache B第1块作废存储器第5块tag，送入Cache B第1块 CPU写Cache B第1块，显示独占
CPU D 读第 5 块	否	是	CPU读Cache D Cache D不命中 Cache B写回存储器第5块数据从存储器第5块送入Cache D第1块 CPU读Cache D第1块，显示共享 Cache B第1块，显示共享
CPU B 写第 21 块	是	否	CPU写Cache B Cache B不命中总线写不命中存储器第21块tag，送入Cache B第1块，发生块内替换 CPU写Cache B第1块，显示独占
CPU A 写第 23 块	否	否	CPU写Cache A Cache A不命中总线写不命中存储器第23块tag，送入Cache A第3块 CPU写Cache A第3块，显示独占
CPU C 写第 23 块	否	是	CPU写Cache C Cache C不命中总线写不命中 Cache A写回存储器第23块存储器第23块tag，送入Cache C第3块 CPU写Cache C第3块，显示独占
CPU B 读第 29 块	是	是	CPU读Cache B Cache B不命中 Cache B写回存储器第21块总线读不命中数据从存储器第29块送入Cache B第1块，发生块内替换 CPU读Cache B第1块，显示共享
CPU B 写第 5 块	是	否	CPU写Cache B Cache B不命中总线写不命中存储器第5块tag，送入Cache B第1块总线作废Cache C第1块 CPU写Cache B第1块，显示独占

【访问序列】

【Cache模拟器统计信息】

3：自己编写一个访问序列，写出监听协议所进行的操作

所进行的访问	是否发生替换	是否发生写回	监听协议所进行的操作
CPU A 读第 6 块	否	否	读cache A，不命中向总线发送不命中数据从存储器第6块送入cache A第2行 CPU A读cache A第1行，显示共享
CPU B 读第 6 块	否	否	读cache B，不命中向总线发送不命中数据从存储器第6块送入cache B第2行 CPU B读cache B第1行，显示共享
CPU D 读第 6 块	否	否	读cache D，不命中向总线发送不命中数据从存储器第6块送入cache D第2行 CPU D读cache D第1行，显示共享
CPU B 写第 6 块	否	否	写cache B，命中向总线发送（6）作废消息作废掉cache A第2行、cache D第2行 CPU B写cache B第2行，显示独占
CPU C 读第 6 块	否	是	读cache C，不命中向总线发送不命中将cache B第2行对应的（6）写回存储器数据从存储器第6块送入cache C第2行 CPU C读cache C第2行，显示共享
CPU D 写第 20 块	否	否	写cache D，不命中向总线发送不命中数据从存储器第20块送入cache D第0行 CPU D写cache D第0行，显示独占
CPU A 写第 20 块	否	是	写cache A，不命中向总线发送不命中将cache D第0行对应的（20）写回存储器作废掉cache D第0行数据从存储器第20块送入cache A第0行 CPU A写cache A第0行，显示独占
CPU D 写第 6 块	否	否	写cache D，不命中向总线发送不命中数据从存储器第6块送入cache D第2行作废掉cache B第2行、cache C第2行 CPU D写cache D第2行，显示独占
CPU A 读第 12 块	是	是	读cache A，不命中将cache A第0行对应的（20）写回存储器向总线发送不命中数据从存储器第12块送入cache A第0行 CPU A读cache A第0行，显示共享

【访问顺序】

【Cache模拟器统计信息】

4：根据上述结果，画出相关的状态转换图（仅画出与上表有关的部分）

5：监听协议的基本思想是什么？

监听协议的核心：Cache中保存各块的共享状态，共享总线，总线监听。

四、实验总结

1：监听协议是基于总线的。在监听协议中，所有的缓存控制器都通过总线来监听其他缓存控制器的操作。当一个缓存控制器修改了共享数据时，它会通过总线发送一个信号，让其他缓存控制器将对应的缓存行置为无效。这样，其他缓存控制器在需要访问这个缓存行时，就会重新从内存中读取最新的数据，保证了数据的一致性。

2：目录协议是集中式的。在目录协议中，每个缓存控制器都维护了一个目录表，用于记录共享数据的状态和位置。当一个缓存控制器修改了共享数据时，它会向目录表发送一个更新请求，将对应的缓存行置为无效或者共享状态。其他缓存控制器在需要访问这个缓存行时，需要先向目录表发出请求，获取该数据的状态和位置信息，然后根据相应的状态进行操作。

3：监听协议的特点分析：
优点：核数较少时，总线压力较小，成本低，效果好。
缺点：需要通过总线广播一致性相关信息. 总线上能够连接的处理器数目有限。当核数增多时，总线冲突增加, 监听带宽成为瓶颈。

4：目录协议的特点分析：
优点：使用集中目录来记录每个cache块的状态，不需要总线广播一致性信息, 总线压力小。
缺点：需要维护目录数据结构, 随着核数增加时目录的开销变大。

5：在设计和选择cache一致性协议时，需要综合考虑系统规模、性能需求、开销以及硬件限制等方面的因素。不同的协议适用于不同的场景。

6：实现cache一致性的关键——跟踪记录共享数据块的状态。