MESIプロトコル

MESIプロトコルの状態じょうたい遷移せんい図ず

MESIプロトコルのアクティビティ図ず

MESIプロトコル（別名べつめい、イリノイ・プロトコル）とは、マルチプロセッサシステムでメモリやキャッシュメモリの同期どうきをとるキャッシュコヒーレンシとメモリ一貫いっかん性せいのプロトコルであり、ライトバック方式ほうしきのキャッシュで広ひろく使つかわれている。イリノイ・プロトコルという別名べつめいはイリノイ大学だいがくアーバナ・シャンペーン校こうで開発かいはつされたことに由来ゆらいする。

インテルは、「486プロセッサで以前いぜんから使つかわれていたライトスルーキャッシュに加くわえて、より効率こうりつ的てきなライトバックキャッシュをサポートする」としてPentiumプロセッサでMESIプロトコルを採用さいようした。そのためパーソナルコンピュータでも広ひろく使つかわれている。

概要がいよう

各かくキャッシュラインは以下いかの4状態じょうたいのいずれかにある。状態じょうたいはキャッシュラインのタグに含ふくまれる（2bitで表あらわされる）。

• M - Modified(変更へんこう): 当該とうがいキャッシュだけに存在そんざいし、主しゅ記憶きおく上じょうの値ねから変更へんこうされている(dirty)。他たのCPUがこのキャッシュラインに相当そうとうする主しゅ記憶きおくをリードするのを許可きょかする前まえに、キャッシュ機構きこうはこのキャッシュラインをいずれかの時点じてんで主しゅ記憶きおくに書かき戻もどさなければならない。
• E - Exclusive(排他はいた): 当該とうがいキャッシュだけに存在そんざいするが、主しゅ記憶きおく上じょうの値ねと一致いっちしている(clean)。
• S - Shared(共有きょうゆう): システム内ないの他ほかのキャッシュにも同おなじキャッシュラインが存在そんざいしている（主しゅ記憶きおくとも内容ないようが一致いっち）。
• I - Invalid(無効むこう): このキャッシュラインは無効むこう。

任意にんいの2つのキャッシュがあるとき、それぞれの対応たいおうするキャッシュラインがとりうる状態じょうたいの組合くみあわせは次つぎのようになる。

	M	E	S	I
M
E
S
I

動作どうさ

典型てんけい的てきシステムでは、複数ふくすうのキャッシュがメインメモリの接続せつぞくされたバスを共有きょうゆうしている。それぞれのキャッシュにはCPUが接続せつぞくされており、それがリード要求ようきゅうやライト要求ようきゅうを発行はっこうする。このようなシステムで全体ぜんたいとして共有きょうゆうしている主しゅ記憶きおくへのアクセスを最小さいしょうにすることが目的もくてきである。

Invalid状態じょうたい以外いがいのキャッシュラインはリード要求ようきゅうを満みたすことができる。Invalid状態じょうたいのラインにリード要求ようきゅうが来きた場合ばあい、主しゅ記憶きおくから内容ないようを読よみ込こむ必要ひつようがある（Shared か Exclusive 状態じょうたいに遷移せんいする）。

ライト要求ようきゅうを実行じっこうできるのは、Modified状態じょうたいかExclusive状態じょうたいの場合ばあいのみである。Shared状態じょうたいなら、書かき込こみを行おこなう前まえにシステム内ないの他ほかのキャッシュ（の該当がいとうするキャッシュライン）を Invalid 状態じょうたいにしなければならない。これは、通常つうじょうブロードキャスト操作そうさで実行じっこうされ、その操作そうさを Read For Ownership (RFO) と呼よぶ。

キャッシュ機構きこうは Modified状態じょうたい以外いがいのキャッシュラインをいつでも捨すてて Invalid状態じょうたいにすることができる。Modified状態じょうたいのラインは必かならず主しゅ記憶きおくに書かき戻もどさなければならない。

Modified状態じょうたいのキャッシュラインを持もつキャッシュ機構きこうは、バス上じょうの流ながれを監視かんしして（バススヌープ）、対応たいおうする主しゅ記憶きおく上じょうの位置いちへのリード要求ようきゅうをインターセプトして、それを再さい試行しこう状態じょうたいにする。そして自身じしんの持もつキャッシュラインの内容ないようを主おも記憶きおくに書かき戻もどし、そのキャッシュラインの状態じょうたいを Shared に遷移せんいさせる。

Shared 状態じょうたいのキャッシュラインを持もつキャッシュ機構きこうもバススヌープによって他たのCPUからの無効むこう化か要求ようきゅうを受うけ取とり、対応たいおうするラインを捨すてる（Invalid状態じょうたいに遷移せんいさせる）。

Exclusive状態じょうたいのキャッシュラインを持もつキャッシュ機構きこうもバススヌープで他たのCPUのトランザクションを監視かんしし、対応たいおうするアドレス範囲はんいへのアクセスがあったら Shared 状態じょうたいへ遷移せんいさせる。

Modified状態じょうたいとExclusive状態じょうたいは、システム内ないのそのキャッシュラインの所有しょゆう権けんを有ゆうしているため、明確めいかくである。Shared 状態じょうたいはあいまいなところがあり、他たのCPUのキャッシュが該当がいとうキャッシュラインを捨すてたときに実際じっさいには Exclusive状態じょうたいになるべき場合ばあいがあるが、そのような遷移せんいは通常つうじょう行おこなわれない（そのためにはブロードキャストが必要ひつようだが、実際じっさい問題もんだいとしてあまり意味いみが無ない）。

そういった意味いみでは Exclusive状態じょうたいというのは若干じゃっかん日和見ひよりみ的てきな最適さいてき化かである。Shared状態じょうたいのキャッシュラインに変更へんこうを加くわえる場合ばあい、無効むこう化か要求ようきゅうをブロードキャストする必要ひつようがあると規定きていすることで、Exclusive状態じょうたいのキャッシュラインの更新こうしんはトランザクションを必要ひつようとしないのである。

Read For Ownership

Read For Ownership (RFO) はキャッシュコヒーレンシプロトコルの操作そうさの1つで、リードと無効むこう化かブロードキャストを組くみ合あわせたものである。これはあるキャッシュラインに書かき込こむ際さい、そのキャッシュの当該とうがいキャッシュラインがExclusive状態じょうたいでもModified状態じょうたいでもないときに行おこなうもので、つまりそのキャッシュラインはMESIプロトコルではShared状態じょうたいかInvalid状態じょうたいである。この操作そうさにより他たの全ぜんプロセッサの当該とうがいキャッシュラインはInvalid状態じょうたいへと遷移せんいさせられる。RFOトランザクションはそのメモリアドレスに書かき込こむことを前提ぜんていとしたリード操作そうさである。したがってこの操作そうさは排他はいた的てきである。それによりそのキャッシュにはデータがもたらされ、他たの全ぜんプロセッサの当該とうがいキャッシュラインは無効むこう化かされる。

その他たのキャッシュプロトコル

MSIプロトコル

MSIプロトコルはExclusive状態じょうたいを持もたないキャッシュプロトコル。MESIプロトコルでExclusive状態じょうたいとなるような状況じょうきょうでは、Shared状態じょうたいとなる。

Invalid状態じょうたいのキャッシュラインにCPUからリードを行おこなう場合ばあい、他たのキャッシュの当該とうがいキャッシュラインがModified状態じょうたいでないことを保証ほしょうしなければならないが、その方式ほうしきはアーキテクチャによって異ことなる。一般いっぱん的てきな方式ほうしきとしてはリード要求ようきゅうのブロードキャストがないかバススヌーピングで監かん視しする。また、キャッシュ内ないに各かくキャッシュラインを最近さいきんリードしたキャッシュがどれかを示しめす情報じょうほうを格納かくのうしておく方式ほうしきもある。Modified状態じょうたいのキャッシュラインを別べつのキャッシュが持もっていた場合ばあい、その内容ないようを主おも記憶きおくに書かき戻もどし、キャッシュライン自体じたいはShared状態じょうたいかInvalid状態じょうたいへと遷移せんいしなければならない。Modified状態じょうたいのキャッシュラインが書かき戻もどされると、当該とうがいキャッシュラインへは主しゅ記憶きおくか他たのShared状態じょうたいのキャッシュから内容ないようを読よみ込こみ、Shared状態じょうたいへと遷移せんいする。

ライト要求ようきゅうは当該とうがいキャッシュラインがModified状態じょうたいならローカルにキャッシュに書かき込こむだけで済すむ。Shared状態じょうたいなら、他たのキャッシュのShared状態じょうたいのキャッシュラインを無効むこう化かする必要ひつようがある。これもリードと同様どうようにバススヌーピングなどで実現じつげんする。その上うえでModified状態じょうたいに遷移せんいしてローカルにキャッシュにライトを行おこなう。Invalid状態じょうたいの場合ばあい、他たのキャッシュのShared状態じょうたいとModified状態じょうたいのキャッシュラインを無効むこう化かしなければならない。別べつのキャッシュの当該とうがいキャッシュラインがModified状態じょうたいなら、そのキャッシュラインの内容ないようを主おも記憶きおくに書かき戻もどすか、ライト要求ようきゅうしたキャッシュに対たいして内容ないようを送おくる。なお、一般いっぱんにCPUのライト要求ようきゅうはせいぜいワード単位たんいまでであり、キャッシュラインは複数ふくすうワードという構成こうせいが一般いっぱん的てきであるため、Invalid状態じょうたいでのライト要求ようきゅうの場合ばあい、書かき込こみの前まえに当該とうがいキャッシュライン全体ぜんたいを読よみ込こんでおく必要ひつようがある。

任意にんいの2つのキャッシュがあるとき、それぞれの対応たいおうするキャッシュラインがとりうる状態じょうたいの組合くみあわせは次つぎのようになる。

	M	S	I
M
S
I

MOSIプロトコル

MOSIプロトコルはExclusive状態じょうたいの代かわりに Owned(所有しょゆう)状態じょうたいのあるキャッシュプロトコル。Exclusive状態じょうたいがないため、MSIプロトコルにOwned状態じょうたいを加くわえたものと見みたほうがよい（つまりExclusive状態じょうたいはShared状態じょうたいに包含ほうがんされている）。

Owned状態じょうたいのキャッシュラインは dirty であり、主しゅ記憶きおくへの書がき戻もどしが必要ひつようである。Modified状態じょうたいのキャッシュラインに相当そうとうするアドレスに他たのCPUがリード要求ようきゅうを発行はっこうしたときに、Owned状態じょうたいに遷移せんいする。Owned状態じょうたいのキャッシュラインを持もつキャッシュ機構きこうは、当該とうがいアドレス範囲はんいへのリード要求ようきゅうに対たいして主しゅ記憶きおくの代かわりに応答おうとうする。すなわち、そのキャッシュラインは他たのCPUでは Shared 状態じょうたいとなっている。Owned状態じょうたいでさらに変更へんこうを加くわえる際さいには、他たのキャッシュのShared状態じょうたいの当該とうがいキャッシュラインを無効むこう化かして自身じしんはModified状態じょうたいへ遷移せんいするか、他たのキャッシュに更新こうしん内容ないようを送おくってShared状態じょうたいを維持いじさせる（アーキテクチャによって異ことなる）。

任意にんいの2つのキャッシュがあるとき、それぞれの対応たいおうするキャッシュラインがとりうる状態じょうたいの組合くみあわせは次つぎのようになる。

	M	O	S	I
M
O
S
I

MOESIプロトコル

MOESIプロトコルはMESIプロトコルに Owned状態じょうたいを加くわえたキャッシュプロトコル。AMD64で採用さいようされている。

任意にんいの2つのキャッシュがあるとき、それぞれの対応たいおうするキャッシュラインがとりうる状態じょうたいの組合くみあわせは次つぎのようになる。

	M	O	E	S	I
M
O
E
S
I

MESIプロトコルに比くらべると、dirtyなキャッシュラインを持もっている状態じょうたいで他たのキャッシュからリード要求ようきゅうがあっても主しゅ記憶きおくに書かき戻もどす必要ひつようがないという点てんが優すぐれている。代かわりにOwned状態じょうたいのキャッシュラインは他たのプロセッサに直接ちょくせつ変更へんこうの加くわわったデータを送おくることができる。これは、キャッシュ間あいだのやりとりが主しゅ記憶きおくとのやりとりよりも高速こうそくな場合ばあいに有利ゆうりで、例たとえばマルチコアCPUでCPU毎ごとにL2キャッシュがある場合ばあいなどが相当そうとうする。

しかし、キャッシュラインが clean な場合ばあい、Invalid状態じょうたいのキャッシュがリード要求ようきゅうしたとき応答おうとうするのは主しゅ記憶きおくであり、Shared状態じょうたいやExclusive状態じょうたいのキャッシュラインは応答おうとうしない。

関連かんれん項目こうもく

• キャッシュコヒーレンシ

外部がいぶリンク

• An interactive MESI simulation