基于SystemC的Cache一致性协议描述与验证

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1、基于SystemC的Cache—致性协议描述与验证摘要：FLSAHSCI协议作为Cache-致性协议的―•种，具冇灵活性、高效性和适应性强等特点，是目前最具发展潜力的Cache一致性协议之一。该协议在继承标准SCI协议低存储开销、维护精确共亨信息等优点的同时对标准SCI协议进行优化，得到更为高效、灵活的FLASHSCI协议。本文用SystemC高层次语言対FLASHSCI协议进行建模与描述，并验证英正确性。模拟结果证明了FLASHSCI协议的正确性以及其在存储开销和执行效率上的优越性。关键词：Cache-致性协议SystemC高层次语言模拟验证形式化验证FLAS

2、HSCI协议中图分类号:TP306文献标识码:A文章编号:1007-9416(2013)05-0151-031引言在分布式共享主存的多处理器系统中，处理器通过各种互连结构(总线、开关、网络等)访问主存或相互通讯，驻留在每个处理器内部的私有Cache成为提高层次存储系统性能的关键。但是私冇Cache的引入在提高系统性能的同时，也带来了数据的不一致问题。图1为一个简单的分布式共享主存的多处理器系统结构示意图。在多处理器系统中，每个处理器都有一个私有的Cache,而主存是共享的，这样很容易造成各私有Cache之间的数据不一致，表1就是一个例子。在表I所示的情况下，如果

3、不考虑数据一致性，处理器0和处理器1最后的结果是X=l,y=l,但实际上，x和y的值最后应该是2。这是由于处理器0和处理器1共享主存而拥有私有Cache导致的，这就是木文所说的数据不一致现象。Cache一致性协议是为实现共享数据访问的一致性、提供逻辑统一的共享主存访问界面并尽量减少网络通信流量的额外增加所采用的机制[2]。Cache一致性协议设计和实现的正确性不仅直接决定系统的正确性，而且対系统的规模和性能有着至关重要的影响，是实现分布式共享主存多处理器系统的关键。因此，在多处理器系统研制过程中，必须对Cache-致性协议的功能止确性进行全面而有效的验证。2Sy

4、stemC简介SystemC[3]是一种能同时实现较高层次软件和硬件描述的系统级设计语言，它的木质是在C++基础上添加硕件扩展库和仿真核。一方面可以把它看作是与VHDL或VerilogHDL类似的硬件语言，另一方面可以把它看作纯粹的C++程序，只是拥有类似VIIDL的类库支持。将SystemC用于Cache协议建模和验证可以有效的解决由Soc系统复杂度提高带来的系统级设计、验证和测试带来的不便，将精力放在Cache协议建模上。SystemC源代码可以使用任何标准C++编译环境进行编译，生成可执行文件。运行可执行文件可以生成VCD格式的波形文件，可以使用综合工具将

5、SystemC的寄存器传输级（RTL）描述综合为VerilogI1DL代码用于FPGA或者ASIC设计，也可以使用体系结构综合工具综合为包括软件和硬件的片上系统。3验证FLASHSCICache—致性协议3.1FLASHSCICache一致性协议SCT协议[4](ScalableCoherentInterfaceprotocol)作为IEEE标准1596-1992而出名，SCI协议的目标是使用较少的存储开销记录大规模系统的共享信息。如图2所示，SCI协议的中心思想是使用双向链表链接共享结点，而且链表的指针是分布式的，不像动态指针分配协议[4]那样将指针集屮在指针

6、池屮。由于SCI协议的存储器行的状态和一个指向共享链表头结点的指针域，所以它比位向量协议⑷和动态指针分配协议的目录头小得多。为了遍历共享链表，SCI协议必须沿着目录头中的指针遍历，直到到达目的结点，这个结点一定是保维护着“Tag副本集”(其中保存的是当前处理器私有Cache的状态副木)数据结构的。SCI协议的分布式特征有两个优势：一是极大地减少存储开销，因为处理器私有Cache行的数量相比于主存中Cache行的数量是微不足道的，所有Tag副本信息对于每个处理器而言只是增加了极小的开销；二是解决了存储系统中的"hotspot”问题，所谓"hotspot”是指某个结

7、点在一段时间内频繁执行一致性动作。假设每个结点的主存大小为64MB(226bytes),处理器私有Cache大小为1MB(220bytes),Cache行大小为128bytes,目录头大小为2bytes,Tag副木大小为8bytes,则SCT协议的目录头和T昭副本结构的存储开销如等式(3-1)所示。SCI协议的存储开销为：位向量/粗粒度向量协议的存储开销为6.25%[4],动态指针分配协议的存储开销为7.03%［4］o相比较而言，SCI协议的存储开销非常小,在存储墙称为计算机发展瓶颈之一的今天，SCI协议占优巨大优势。FLASHSCI协议［4］设计的目的是在FL

8、ASH结构［5］的机器环