Processor Test Interface

To Simulate our multicore processor writing in chisel, we will first generate verilog using sbt and after use verilator to generate .vcd files test for each instruction of our processor. We can after visualize the chrogram for debuging if neccessary with gtkwave .

Implémentation d'un cache mémoire DirrectMapped programmable en chisel:

Implementation a cache using the MILK protocle (custom one), it as signal for the read, write and the request for the L1I and L1D processor cache.

The cache use two variable to enable ATOMIC Extention and coherency extention based on DIRECTORY COHERENCY.

Cache Coherency Protocols

Cache coherency protocols are essential for maintaining data consistency in multiprocessor systems where multiple caches may hold copies of the same memory location. These protocols help ensure that updates to a shared memory location are correctly reflected across all processors.

Types of Cache Coherency Protocols

There are two main categories of cache coherency protocols:

1. Directory-Based Protocols

In directory-based cache coherency, a centralized directory keeps track of which processors have cached copies of a particular memory block. The directory is responsible for managing the state of each cache line and ensuring consistency. This approach is commonly used in large-scale multiprocessor systems.

Examples of Directory-Based Protocols:

• Full-map Directory Protocol: Maintains a complete list of all caches holding a copy of a memory block.
• Limited Directory Protocol: Uses a limited number of pointers to track caches that store copies of a block.
• Sparse Directory Protocol: Uses approximations to track shared blocks efficiently while reducing storage overhead.

Implementation of Full-map Directory Protocol :

Opération	État MSI	Nombre de cycles (exemple)	Commentaire
Read	Modified	1 cycle	Hit : accès direct depuis le cache
Read	Shared	1 cycle	Hit : accès direct depuis le cache
Read	Invalid	7 cycles	Miss : latence d'accès mémoire/directory
Write	Modified	1 cycle	Hit : écriture locale sans besoin d'invalidation
Write	Shared	1 cycles (upgrade cost)	Hit : nécessite une mise à niveau (invalidation)
Write	Invalid	8 cycles	Miss : latence d'accès mémoire/directory

2. Snooping-Based Protocols

Snooping protocols rely on a broadcast mechanism where all caches monitor (or "snoop") a shared bus to observe memory transactions. These protocols are more suitable for small to medium-sized multiprocessor systems.

Types of Snooping Protocols:

• Write Invalidate Protocols: When a processor writes to a shared block, it invalidates other copies in other caches.
  • MESI Protocol: A common write-invalidate protocol with four states: Modified, Exclusive, Shared, and Invalid.
  • MOESI Protocol: Extends MESI with an Owned state to allow dirty sharing.
  • MESIF Protocol: Adds a Forward state to optimize data sharing.
• Write Update (Write Broadcast) Protocols: Instead of invalidating copies, the new data is broadcast to all caches holding the block.
  • Dragon Protocol: Uses an update-based mechanism to keep cache copies consistent without invalidation.
  • Firefly Protocol: Similar to Dragon but optimized for certain architectures.

Implémentation du Protocole (E/M)SI

Le protocole MSI (Modified, Shared, Invalid) est un protocole de cohérence de cache utilisé dans les systèmes multiprocesseurs pour assurer la consistance des données entre les caches.

Signaux Nécessaires

1. Signaux de Requête (Envoyés par les caches au bus ou au contrôleur de mémoire)

Ces signaux indiquent qu'un processeur souhaite effectuer une opération sur un bloc de cache, potentiellement modifiant son état de cohérence.

• BusRd (Bus Read) : Requête envoyée lorsqu'un processeur veut lire une donnée dans l'état Invalid (I).
• BusRdX (Bus Read Exclusive) : Requête envoyée lorsqu'un processeur veut écrire sur un bloc, forçant son passage à l'état Modified (M).
• BusUpgr (Bus Upgrade) : Requête envoyée lorsqu'un processeur possède le bloc en état Shared (S) mais souhaite le modifier sans recharger les données depuis la mémoire.

2. Signaux de Réponse (Envoyés par les autres caches ou la mémoire)

Ces signaux permettent de répondre aux requêtes ci-dessus et de maintenir la cohérence.

• Flush : Envoyé lorsqu'un cache possède une copie modifiée du bloc et doit l'écrire en mémoire.
• FlushOpt (Flush Optionnel) : Envoyé lorsqu'un cache peut fournir directement le bloc sans écriture en mémoire.
• SharedResponse : Indique qu'un autre cache détient déjà une copie du bloc en état Shared (S).

3. Signaux d'Invalidation (Envoyés aux caches)

Ces signaux garantissent que les copies d'un bloc de données sont invalidées lorsque nécessaire.

• Invalidate (Inv) : Envoyé aux caches qui possèdent le bloc en Shared (S) lorsque qu'un autre processeur demande un accès exclusif.

4. Signaux d'Acknowledgment (Pour la Synchronisation)

Ces signaux confirment la réception des invalidations ou des transferts de données.

• Ack (Acknowledgment) : Confirme qu'un cache a bien invalidé ou mis à jour un bloc.
• MemoryResponse : Indique que la mémoire a fourni les données demandées à un processeur.