ACE协议介绍(三)：ace协议中的make和clean操作

在 ACE（AXI Coherency Extensions）协议中，Clean 和 Make 是两类核心的缓存一致性操作，用于管理缓存行的状态和权限，确保多核系统中数据的一致性。

---

一、Clean 操作（清理操作）

核心目的

将本地缓存中处于 Dirty 状态（数据与主存不一致）的缓存行，写回到下一级存储（如 L2 或主存），并将其状态更新为 Clean （数据一致，无修改权限）或 Invalid（无效）。

典型场景

• 当一个缓存行需要被替换（Eviction）时，若其为 Dirty 状态，必须先执行 Clean 操作写回数据，以避免数据丢失。
• 当其他 Master 发起对同一地址的读操作时，本地 Master 需执行 Clean 操作，确保其他 Master 能读到最新数据。

常见 ACE 事务

• CleanShared：将 Dirty 缓存行写回，状态变为 Shared（共享可读）。
• CleanInvalid：将 Dirty 缓存行写回，状态变为 Invalid（无效）。
• CleanUnique：将 Dirty 缓存行写回，状态变为 Unique（独占）。

---

二、Make 操作（置位操作）

核心目的

主动将本地缓存中的某一缓存行的状态设置为 Unique（独占），从而获得对该数据的修改权限。这是执行写操作前的关键步骤。

典型场景

• 当 CPU 需要对一个缓存行进行写操作，但该缓存行当前处于 Shared 或 Invalid 状态时，必须先执行 MakeUnique 操作，获取独占修改权。
• 这会触发总线事务，通知其他所有 Master 使它们对应的缓存行副本变为 Invalid，确保本地 Master 是唯一拥有者。

常见 ACE 事务

• MakeUnique：将缓存行状态置为 Unique，获得独占修改权限。
• MakeInvalid：将缓存行状态置为 Invalid，放弃所有权。

---

三、Clean vs. Make：核心区别

特性	Clean 操作	Make 操作
核心目标	确保数据一致性，将 Dirty 数据写回	获取修改权限，将状态置为 Unique
状态转换	Dirty → Clean / Invalid / Shared / Unique	Shared / Invalid → Unique
总线事务	CleanShared, CleanInvalid, CleanUnique	MakeUnique, MakeInvalid
触发时机	缓存替换、响应其他 Master 的读请求	执行写操作前，需要独占权限时

---

四、结合状态机的理解

1. Dirty → CleanShared ：执行 CleanShared 操作，数据写回，状态变为 Shared，允许其他 Master 读取。
2. Dirty → CleanInvalid ：执行 CleanInvalid 操作，数据写回，状态变为 Invalid，放弃所有权。
3. Shared → Unique ：执行 MakeUnique 操作，获得独占权限，准备修改数据。
4. Unique → Dirty：本地修改数据后，状态自动变为 Dirty，等待后续 Clean 操作。

下面是 ACE 协议中 Clean / Make 操作与缓存行状态转换对照表，覆盖常见场景和典型事务类型：

---

五、Clean 操作（写回 + 状态更新）

操作 / 事务	前状态	后状态	核心行为	典型触发场景
CleanShared	Dirty	Shared	将 Dirty 行写回下一级存储，变为 Shared（共享可读）	响应其他 Master 的读请求，保证数据一致
CleanInvalid	Dirty	Invalid	将 Dirty 行写回，然后置为 Invalid（放弃该缓存行）	缓存行替换（Eviction），或主动放弃数据所有权
CleanUnique	Dirty	Unique	将 Dirty 行写回，保持 Unique 独占权限	写操作完成后，仍需独占该缓存行，避免频繁重新获取权限
CleanShared	Clean	Shared	无写回，直接转为 Shared（数据已一致）	响应其他 Master 的读请求，共享数据
CleanInvalid	Clean	Invalid	无写回，直接置为 Invalid	主动放弃缓存行，或响应 snoop 使无效

注：Clean 操作的核心是 "写回 Dirty 数据"，如果缓存行本来就是 Clean（与主存一致），则只做状态转换，不写回。

---

六、Make 操作（获取 / 放弃权限）

操作 / 事务	前状态	后状态	核心行为	典型触发场景
MakeUnique	Shared / Clean / Invalid	Unique	发起总线事务，通知其他 Master 使对应缓存行无效，本地获得独占权限	执行写操作前，必须先获取 Unique 权限
MakeUnique	Unique	Unique	无变化，保持独占权限	再次确认独占，或处理 snoop 后重新获取
MakeInvalid	Shared / Unique / Clean	Invalid	主动放弃缓存行，置为无效	响应 snoop 使无效，或主动释放数据所有权

---

七、常见完整流程示例

1. 写前准备：Shared → Unique

   • 触发：MakeUnique
   • 行为：通知其他 Master 使对应缓存行无效 → 本地变为 Unique → 可安全写入
   • 写入后：Unique → Dirty

2. 缓存替换：Dirty → CleanInvalid

   • 触发：CleanInvalid
   • 行为：写回 Dirty 数据 → 置为 Invalid → 腾出缓存空间

3. 响应读请求：Dirty → CleanShared

   • 触发：CleanShared
   • 行为：写回 Dirty 数据 → 变为 Shared → 其他 Master 可安全读取