【CHI】獨(dú)占訪問

1. overview

獨(dú)占訪問的原則是，執(zhí)行獨(dú)占序列的邏輯處理器（LP）執(zhí)行以下操作：

對(duì)一個(gè)地址執(zhí)行exclusive load。
計(jì)算要存儲(chǔ)到該位置的新值。
對(duì)該地址進(jìn)行exclusive store。
支持對(duì)可嗅探（snoopable）和不可嗅探 （non-snoopable）的內(nèi)存位置進(jìn)行獨(dú)占訪問。

如果地址A在Exclusive Load之后被另一個(gè)LP更新了，那么在執(zhí)行Exclusive Store時(shí)必須失敗。在這種情況下，該store操作不能完成，即store的數(shù)據(jù)無法寫入到A地址。
以下是exclusive terms：

翻譯一下，就是：

Exclusive Load

是用于描述LP執(zhí)行特定的程序指令的行為，如LDREX，該操作包含：

1.獲得想要執(zhí)行exclusive操作序列的地址的數(shù)據(jù)；

2.指示LP開始執(zhí)行exclusive sequence；

（CPU的行為）

Exclusive Load transaction

如果數(shù)據(jù)沒有在LP的cache中存在，就需要發(fā)送一筆Exclusive Load transaction來獲取用于Exclusive Load的數(shù)據(jù)。

所以，但是不是每一筆Exclusive Load要求一筆Exclusive Load transaction。

（總線行為）

Exclusive Store

是用于描述LP執(zhí)行特定的程序指令的行為，如STREX，該操作包含：

決定是否exclusive sequence失敗還是成功；
如果可以的話，更新地址所在的數(shù)據(jù)；
另外，執(zhí)行的處理器（LP）知道Exclusive Store是成功還是失敗的，如果Exclusive Store失敗，那么地址所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)不能被更新，并且Exclusive sequence必須重新開始。

（CPU的行為）

Exclusive Store transaction

用于描述interface發(fā)送一筆transaction來完成需要的Exclusive Store。不是每一筆Exclusive Store都需要一筆Exclusive Store transaction，一筆Exclusive Store transaction成功與否可以通過transaction response的RespErr域段告知LP；（有兩個(gè)特殊，后面詳細(xì)描述）

（總線行為）

2.Exclusive monitors

可以采用exclusive monitor來追蹤exclusive sequence的進(jìn)行。monitor的位置和為了支持exclusive accesses需要產(chǎn)生的request type是依賴于地址的內(nèi)存屬性。

例如，如果requester和monitor之間存在cache，那么獨(dú)占訪問應(yīng)該是non-snoopable的。

2.1 Snoopable memory location

對(duì)于Snoopable memory地址的exclusive訪問，需要采用兩個(gè)monitor：
LP monitor：
RN-F內(nèi)的每個(gè)LP都必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)exclusive monitor，用于檢查exclusive sequence訪問使用的地址信息。LP在執(zhí)行Exclusive Load時(shí)，LP monitor置位；LP monitor在以下情況會(huì)復(fù)位：

LP收到同地址的invalidating snoop request，表明該地址已經(jīng)被其它LP更新了；（即：本LP的獨(dú)占序列被破壞，獨(dú)占訪問失敗）
同一個(gè)LP對(duì)該地址產(chǎn)生的store（即：本LP的獨(dú)占序列完成，獨(dú)占訪問成功）。如果store是由同一個(gè)LP采用non-exclusive命令產(chǎn)生的，monitor的復(fù)位是由實(shí)現(xiàn)具體決定的；
PoC monitor：
HN-F必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)PoC monitor，用于判定Exclusive Store transaction的結(jié)果是成功還是失敗。如果成功，表明該transaction已經(jīng)對(duì)其它一致性RN-F可見（通過snoop將其他RNF的cache line失效了）。如果失敗，表明該transaction沒有對(duì)其它一致性RN-F可見，因此Exclusive Store不能成功；
該monitor用于保證來自一個(gè)LP的Exclusive Store transactions的成功只有在該LP沒有接收到一筆同地址的snoop transaction，該snoop transaction是由其它RN-F對(duì)同地址的Exclusive Store產(chǎn)生的；
對(duì)PoC monitor的最低要求就是它能記錄任何LP對(duì)Snoopable地址產(chǎn)生的exclusive sequence；

如果一個(gè)LP已經(jīng)執(zhí)行一筆exclusive sequence相關(guān)的transaction，然后在其它LP成功的執(zhí)行Exclusive Store transaction之前，該LP先執(zhí)行了Exclusive Store transaction，那么該Exclusive Store transaction必須成功；（意思就是獨(dú)占序列沒有被破壞，就獨(dú)占訪問成功了）

該monitor要支持并行監(jiān)控系統(tǒng)中所有支持exclusive能力的LP；（也就是每個(gè)LP都要有在monitor中有一個(gè)獨(dú)立的條目進(jìn)行監(jiān)控）
當(dāng)HN-F收到一筆和Exclusive Load或Exclusive Store相關(guān)的transaction后，該monitor會(huì)注冊(cè)/記錄LP正嘗試一個(gè)exclusive sequence；
當(dāng)HN-F收到一筆Exclusive Store transaction：

如果PoC monitor中已經(jīng)記錄了該LP正在執(zhí)行exclusive sequence，（即monitor對(duì)該LP的某地址的獨(dú)占標(biāo)記還在），也就是說該LP的exclusive sequence還沒有被其它Exclusive Store transaction給復(fù)位掉，那么該Exclusive Store肯定成功并且允許繼續(xù)進(jìn)行處理。在這種情況下，其它LPs的相關(guān)注冊(cè)都應(yīng)該被復(fù)位，CHI協(xié)議建議但不要求PoC monitor對(duì)于已經(jīng)成功的LP的注冊(cè)仍然保留；
如果PoC monitor沒有注冊(cè)LP正在進(jìn)行的exclusive sequence，也就是說LP的注冊(cè)位已經(jīng)被其它LP的Exclusive Store給復(fù)位了，那么該LP的Exclusive Store transaction失敗且不允許被繼續(xù)處理。但是PoC monitor必須注冊(cè)該LP的正在進(jìn)行exclusive sequence。
注意：

1、對(duì)于一個(gè)LP，如果Exclusive Store transaction執(zhí)行成功，那么該LP在PoC monitor的注冊(cè)位不需要被復(fù)位，這樣的話，該LP可以繼續(xù)成功執(zhí)行一系列的Exclusive Store transaction，直到其它LP成功執(zhí)行Exclusive Store transaction。對(duì)于LP不確定的store transactions，該store transaction必須被處理為來自不同LP的訪問；
2、在系統(tǒng)復(fù)位初始化，第一個(gè)LP執(zhí)行Exclusive Store transaction可以成功，但是CHI協(xié)議不要求有這個(gè)功能。在這點(diǎn)上之后，所有其他LPs必須注冊(cè)它們exclusive sequence的開始，才能讓它們后續(xù)Exclusive Store transaction的成功進(jìn)行；
3、當(dāng)LP的Exclusive Store transaction成功后，其它LP的注冊(cè)位都被復(fù)位掉，只有成功的exclusive store transaction的CompAck響應(yīng)成功后，其它LP才可以注冊(cè)新的exclusive sequence；
4、為了支持Exclusive訪問Snoopable memory空間，LP monitor和PoC monitor都需要；

2.2 Additional address comparison

PoC monitor的功能通過增加一些地址比較來增強(qiáng)，只需要記錄地址的某些bits就行，不需要全地址的匹配。這種方法可以減少其它LPs訪問不同地址的Exclusive Store transaction的失敗導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，需要比較的地址位數(shù)由具體實(shí)現(xiàn)決定的。
當(dāng)使用額外地址比較的monitor，在exclusive sequence(Load Exclusive or Store Exclusive)的最開始，監(jiān)控的地址需要被記錄下來。只有在其它地址匹配的LP成功的Exclusive Store transaction才會(huì)將其復(fù)位；
包含額外地址比較的monitor仍然包含最小1bit monitor用于監(jiān)控每個(gè)支持Exclusive能力的LP。
在以下條件發(fā)生時(shí)，Exclusive Store transaction才允許繼續(xù)進(jìn)行：

地址monitor已經(jīng)給同一個(gè)LP的匹配地址的exclusive sequence注冊(cè)過，且沒有被其它地址匹配的Exclusive Store transaction復(fù)位了；
最小1bit monitor已經(jīng)給同一個(gè)LP的exclusive sequence注冊(cè)過，且沒有被其它任何值的LP的Exclusive Store transaction復(fù)位了。
--------這一段說的廢話，monitor必須記錄地址！

2.3 Alternatives to a PoC monitor

HN-F允許使用以下機(jī)制來代替PoC monitor來決定獨(dú)占訪問的結(jié)果：

一個(gè)精確的snoop filter，用來跟蹤請(qǐng)求者在Exclusive Store處理時(shí)是否保留了cache line的副本。
通過Home的snoop，以確定requester是否仍然持有cache line的副本。
注意：在CHI Issue E之前，需要實(shí)現(xiàn)PoC monitor

2.4Non-snoopable memory location

對(duì)于Non-snoopable memory地址區(qū)間，使用一個(gè)monitor。
System monitor：

系統(tǒng)monitor會(huì)跟蹤訪問Non-snoopable地址空間的Exclusive訪問。該monitor在有ReadNoSnp(Excl)操作時(shí)置位，會(huì)被其它同地址LP的改寫而復(fù)位；
System monitor可以放置于PoS或終端設(shè)備處。因?yàn)橄到y(tǒng)中終端的數(shù)據(jù)比PoS的數(shù)目多，一般將System monitor放置于PoS處，這樣可以：

減少System monitor的重復(fù)；
減少系統(tǒng)檢測(cè)Exclusive訪問失敗的時(shí)間；
System monitor應(yīng)該放置于可以觀察到所有訪問監(jiān)控地址的transactions的地方。

PoS ： Point of Serialization

PoC ： Point of Coherence

3. Exclusive transactions

以下操作可以使用Excl bit來支持Exclusive訪問：

Exclusive操作的通訊節(jié)點(diǎn)對(duì)有：

xclusive transaction必須使用正確的LPID值。

3.1 Responses to exclusive requests

對(duì)于Exclusive requests的響應(yīng)和其它正常讀寫的響應(yīng)類似，除了：

? ReadClean, ReadNotSharedDirty, and ReadShared Exclusive transactions:

--不能使用分離的 Comp和 data response.

--Requests不能使用 DMT or DCT.

? ReadNoSnp Exclusive transactions 不能使用 DMT.

? WriteNoSnpFull and WriteNoSnpPtl transactions,， 如果 Exclusive monitor在HN-F，且獨(dú)占檢測(cè)通過，不能使用DWT

下面這些exclusive transaction必須通過響應(yīng)來告知通過還是失敗：

? ReadClean

? ReadNotSharedDirty

? ReadShared

? ReadNoSnp

? CleanUnique

? WriteNoSnpFull

exclusive request的響應(yīng)的RespErr域段可以指示exclusive操作成功與否。RespErr域值為0b01表示Exclusive Okay，即exclusive成功，RespErr域值為0b00表示Normal Okay，即exclusive失敗；
只有一筆transaction的Excl置位，才可能返回Exclusive Okay響應(yīng)；
不是所有的內(nèi)存空間都支持獨(dú)占訪問。（什么樣的內(nèi)存空間不支持獨(dú)占訪問？？）對(duì)于不支持Exclusive訪問的地址不能回Exclusive Okay響應(yīng)；
對(duì)于訪問不支持Exclusive操作的地址，執(zhí)行Exclusive Store是否會(huì)將數(shù)據(jù)更新到地址中是由具體實(shí)現(xiàn)決定的；
CHI協(xié)議建議不要對(duì)不支持Exclusive訪問的地址發(fā)送Exclusive Store transaction。

ReadPreferUnique 和 MakeReadUnique不使用RespErr來確定獨(dú)占操作的通過或失敗。而是通過收到的數(shù)據(jù)響應(yīng)狀態(tài)來確定：

如果響應(yīng)為shared cache狀態(tài)，則表示獨(dú)占訪問失敗；

如果響應(yīng)為unique狀態(tài)，requester必須使用其LP monitor狀態(tài)來確定獨(dú)占訪問是否為通過。

下為request的Snoopable屬性、相關(guān)monitor類型、exclusive失敗的可能原因以及響應(yīng)需求。

3.2 System responsibility

使用CHI協(xié)議實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)必須遵循以下原則：

為了有效處理Exclusive訪問，每個(gè)LP應(yīng)該包含一個(gè)monitor；
不管是使用monitor機(jī)制還是其它方法，對(duì)于所有的exclusive requests，都應(yīng)該有防饑餓機(jī)制；
CHI協(xié)議建議安全exclusive訪問和非安全exclusive訪問獨(dú)立分開處理。

3.3 Exclusive accesses to Snoopable locations

本小節(jié)描述當(dāng)使用exclusive訪問Snoopable地址空間時(shí)，LP需要執(zhí)行的行為。

Snoopable Exclusive Load
LP使用Exclusive Load開始一次exclusive sequence。exclusive sequence的開始必須將LP exclusive monitor置位。
LP要執(zhí)行一筆Snoopable地址的Exclusive訪問的數(shù)據(jù)可能在local cache中已經(jīng)存在了：

如果LP中該cacheline為Unique狀態(tài)，CHI協(xié)議允許（但不推薦）LP執(zhí)行Exclusive Load transaction；
如果LP中該cacheline為Shared狀態(tài)，CHI協(xié)議允許但不要求LP執(zhí)行Exclusive Load transaction；
如果LP中該cacheline不存在，CHI協(xié)議推薦LP執(zhí)行Exclusive Load transaction來獲取一份cacheline數(shù)據(jù)，但是允許Excl bit不置位的ReadClean或ReadShared或ReadNotSharedDirty transaction；
Snoopable Exclusive Load to Snoopable Exclusive Store
在執(zhí)行完Exclusive Load之后，LP通常會(huì)計(jì)算該地址的新值，用于后續(xù)Exclusive Store存儲(chǔ)。
CHI協(xié)議不要求LP完成一次exclusive sequence。例如，Exclusive Load獲得數(shù)據(jù)可以指示旗語有沒有被其它LP拿走了，如果被拿走了的話，則不能改變?cè)撝抵钡狡渌麹P釋放了該旗語。因此，新產(chǎn)生的exclusive sequence不需等待當(dāng)前exclusive sequence的完成。
在Exclusive Load和Exclusive Store之間，LP exclusive monitor必須監(jiān)控該地址的數(shù)據(jù)來判斷是否已經(jīng)被其它LP改變了。

Snoopable Exclusive Store
同一個(gè)LP不允許和任何注冊(cè)且正在執(zhí)行exclusive sequence的transaction同時(shí)執(zhí)行Exclusive Store transaction。在發(fā)送一筆Exclusive Store transaction之前，LP必須等到任何這樣的transaction的message已經(jīng)交換完，或者接收到RetryAck響應(yīng)。LP正在執(zhí)行的已經(jīng)注冊(cè)的transactions的exclusive sequence有：

Exclusive Load transactions to any location.
Exclusive Storetransactions to any location.
當(dāng)LP正在執(zhí)行Exclusive Store時(shí)，需要以下操作：

如果LP exclusive monitor已經(jīng)被復(fù)位了，那么Exclusive Store必須失敗，且LP不能發(fā)送Exclusive Store transaction。LP必須重新開始exclusive sequence；注意：當(dāng)LP monitor被置位了，不能發(fā)送最終失敗的Exclusive Store transaction，避免不需要的無效掉cacheline數(shù)據(jù)。
如果cacheline為Unique狀態(tài)，且LP exclusive monitor置位，那么Exclusive Store已經(jīng)PASS了，不需要發(fā)送Exclusive Store transaction就可以更新該地址的數(shù)據(jù)；
如果cacheline是Shared狀態(tài)，且LP exclusive monitor置位，那么LP必須發(fā)送一筆Exclusive Store transaction。必須使用Excl比特置位的CleanUnique transaction。LP exclusive monitor必須繼續(xù)監(jiān)控在CleanUnique執(zhí)行過程中，該數(shù)據(jù)沒有被更新。
CleanUnique transaction將會(huì)受到Normal Okay或者Exclusive Okay響應(yīng)。
如果收到Exclusive Okay響應(yīng)，意味著該transaction已經(jīng)成功并且把其它RN中有該cacheline的備份失效掉。在該筆exclusive transaction完成后，LP必須再次確認(rèn)LP exclusive monitor：1. 如果LP exclusive monitor置位，那么Exclusive Store成功且數(shù)據(jù)更新已經(jīng)執(zhí)行完成；2. 如果LP exclusive monitor沒有置位，表明該cacheline在Store transaction完成之前已經(jīng)被更新了，因此Exclusive Store必須失敗，exclusive sequence必須重新開始；3. 如果LP無法跟蹤到cacheline的exclusive狀態(tài)，因?yàn)樵揷acheline已經(jīng)驅(qū)逐掉，那么exclusive store必須失敗，exclusive sequence必須重新開始。
如果收到Normal Okay響應(yīng)，意味著其它LP已經(jīng)完成了Exclusive Store，因此LP的Exclusive Store產(chǎn)生的transaction失敗，不能傳播給系統(tǒng)中的其它LPs。一筆Exclusive Store transaction以Normal Okay響應(yīng)結(jié)束后，接下來可選選項(xiàng)有：1. 在訪問完成后，LP可以檢查或不檢查cacheline狀態(tài)，LP將Exclusive Store失敗掉并且重新開始exclusive sequence；2. LP可以檢查L(zhǎng)P exclusive monitor，如果LP exclusive monitor已經(jīng)被復(fù)位了，那么LP必須將Exclusive Store失效掉，并且重啟exclusive sequence；3. LP可以檢查L(zhǎng)P exclusive monitor，如果LP exclusive monitor置位，LP可以再次發(fā)起Exclusive Store transaction。

3.4 Exclusive accesses to Non-snoopable locations
對(duì)于Non-snoopable的exclusive訪問，有以下限制：

Exclusive access的地址必須和transaction總的bytes數(shù)對(duì)其；
Exclusive access傳輸總的bytes數(shù)目必須是合法數(shù)據(jù)size，即1、2、4、8、16、32bytes；
對(duì)于不遵循這些限制的行為將導(dǎo)致UNPREDICTABLE；
對(duì)于Exclusive read和Exclusive write transaction被認(rèn)為是一對(duì)傳輸，必須遵守如下準(zhǔn)則：

Exclusive read和Exclusive write的地址必須相等；
Exclusive read和Exclusive write的控制信號(hào)，即MemAttr和SnpAttr，必須相等；
Exclusive read和Exclusive write的data size必須一樣；
Exclusive read和Exclusive write的LPID必須一樣；
Exclusive operation的最小bytes數(shù)是transaction size決定的。System monitor可以監(jiān)控更大的bytes范圍，最多可達(dá)Exclusive access的最大size 64。然而，這樣可能導(dǎo)致成功的Exclusive訪問被認(rèn)為是失敗的，由于在exclusive傳輸過程中，相鄰byte被改寫了。
多個(gè)訪問Non-snoopable memory地址的Exclusive transactions，不管是寫還是讀，是同一個(gè)地址還是不同地址，來自同一個(gè)LP的必須不能同時(shí)outstanding發(fā)送。
如果SN通過Exclusive ReadNoSnp的響應(yīng)返回Exclusive Fail表示不支持Exclusive訪問，那么如果寫操作返回的是Exclusive Fail響應(yīng)，其寫數(shù)據(jù)仍然會(huì)被更新到地址的存儲(chǔ)空間；
如果SN通過Exclusive ReadNoSnp的響應(yīng)返回Exclusive Pass表示支持Exclusive訪問，那么如果寫操作返回的是Exclusive Fail響應(yīng)，其寫數(shù)據(jù)不會(huì)被更新到地址的存儲(chǔ)空間。