官网教程：gem5: Classic memory system coherence

M5 2.0b4引入了一个经过大量重写和简化的缓存模型，包括一个新的一致性协议。一致性协议是用于确保多个缓存之间的数据一致性的规则和机制。这意味着在多个缓存中存储的数据将保持一致，以避免数据不一致的问题。

（在此之前的 M5 2.0 版本之前，缓存模型已经进行了修补，以适应引入的新内存系统。然而，旧的缓存模型并没有重新编写以充分利用新内存系统所提供的功能。因此，在 2.0beta 版本中，对缓存模型进行了彻底的重写，以使其能够更好地利用新内存系统的功能。）

新一致性协议的关键特性是它可以与多样化的缓存层次结构（多个层次上的多个缓存）配合工作。在计算系统中，通常会使用多个层次的缓存来加速数据访问。每个层次的缓存可以存储不同级别的数据，例如 L1 缓存、L2 缓存等。旧协议将缓存之间的数据共享限制在一个总线上，这就意味着只有通过总线才能进行数据的交互和传输。

在现实世界中，系统架构对协议可以适应的缓存数量或配置有限制。由于系统的多样性和复杂性，设计一个在任意配置下都既适用又高效的协议是不切实际的。因此，在设计一致性协议时，我们需要在现实性和可配置性方面做出一些妥协。

这意味着我们可能无法找到一种通用的协议，适用于所有可能的系统配置。相反，我们采取了一种折衷的方法，以满足在（几乎）任意配置上工作的需求。这意味着协议在大多数常见的系统配置下都能有效运行，但在某些特殊或定制的配置下可能会存在限制或不够高效。

尽管如此，我们的目标是确保协议对于研究系统行为的其他方面是足够的。这意味着协议能够满足一致性方面的基本需求，并在常见的系统配置下表现出良好的性能和可靠性。然而，对于专门研究一致性的研究人员来说，他们可能更倾向于使用特定的协议来替换默认的一致性机制，以满足其研究的特定需求。

该协议是一个MOESI（Modified, Owned, Exclusive, Shared, Invalid）嗅探协议，不强制实施包含性（Inclusion）。MOESI是一种常见的缓存一致性协议，用于管理多级缓存系统中的数据一致性。它定义了不同状态来表示缓存中数据的状态，包括被修改（Modified）、被拥有（Owned）、独占（Exclusive）、共享（Shared）和无效（Invalid）。

在一个CMP（Chip-level Multiprocessing）配置中，如果有多个L1缓存，它们的总容量是共享的L2缓存容量的显著一部分。在这种情况下，强制实施包含性可能非常低效。包含性是指较低级别缓存中的数据拷贝也存在于较高级别缓存中，以确保数据的一致性。

来自较高级别缓存（靠近CPU的缓存）的请求按预期的方式向内存传播：当L1缓存发生缺失时，它会在本地L1/L2总线上广播该缺失请求，并被其他L1缓存进行嗅探。如果没有响应，那么L2缓存将提供服务。如果L2中的请求也未命中，经过一段延迟后（通常等于L2的命中延迟），L2将在其内存侧总线上发出请求，可能被其他L2缓存进行嗅探，然后发送到L3缓存或内存。

然而，逐级向上传播嗅探请求可能会引发大量难以解决的竞争条件。实际系统通常不会按照这种方式进行处理。相反，通常希望在L2总线上执行单个嗅探操作，以告知整个L1/L2层次结构中该数据块的状态。为了实现这一点，可以采用多种方法：

1. 只嗅探L2缓存，但强制实施包含性，以便L2具有关于L1缓存的所有所需信息。这种方法可以确保L2缓存具有关于L1缓存的完整状态信息，但可能会导致配置上的麻烦，需要根据上层缓存的数量、大小和配置来确定较低级别缓存的标记大小。
2. 在L2上保留一组额外的标记，以便可以同时嗅探它们（如Compaq Piranha）。这种方法在层次结构不太深的情况下是合理的，但需要在设计中考虑额外的标记，并根据上层缓存的配置来确定标记的大小。
3. 并行嗅探L1和L2缓存，特别是当它们都位于同一芯片上时。这种方法在一些处理器架构中被使用，如Intel的Pentium Pro。然而，为了实现这种并行嗅探，需要在设计中添加显式路径，这可能导致配置过程变得复杂。

为了解决以上问题，提出了引入"express snoops"的方法。"express snoops"是一种特殊的嗅探请求，即使在系统运行于时序模式时，也可以瞬间和原子地传播到整个层次结构上。这种方法类似于前述的第二或第三种选择，但由于嗅探是沿着常规总线互连传播的，所以没有额外的配置开销。然而，这可能引入一些时间上的不准确性，但如果系统中有专用路径用于这些嗅探，或者在较低级别缓存中维护额外的上层标记副本，那么差异可能是很小的。

最后，注意到该协议在某些配置下可能存在错误，特别是当有多个L2缓存，每个L2缓存后面有多个L1缓存时。这个问题可能在较新的版本中得到修复，但在较旧版本中，该协议在大多数有效的配置下是适用的。