作者注：

  限于能力和时间，文中定有不少错误，欢迎指出，邮箱yixiangrong@hotmail.com, 期待讨论。由于绝大部分是原创，即使拷贝也指明了出处(如有遗漏请指出），所以转载请表明出处http://www.cnblogs.com/e-shannon/

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2   CAPI overview

2.1         背景

2.1.1          行业背景

2013年8月由IBM、Google 、NVIDIA等公司联合成立成立了OpenPower 基金会, 其目的是通过建立开源Power生态系统，在warehouse data center(仓储式数据中心)、HPC（高性能计算）等服务器领域与intel展开竞争[dream1] 。4年里，先后有150多家企业加入，涉及从芯片到I/O、固件、系统、软件等各个产业链。OpenPower成立后IBM于2014年推出的第一款CPU是Power8，而CAPI1.0(一致性加速处理器接口)是Power8 系统所支持的重要特性之一，用于减轻CPU负担，实现CPU加速的功能。

2017年IBM推出Power9，Power9 基于14nm FineFET工艺，8billion个晶体管（注：Power9将是检验IBM的openPower策略的重要筹码，希望能抢回HPC和超大规模数据中心市场份额的10%-20%）。同时作为Power9所支持的重要特性CAPI2.0已经公布，相比于1.0，支持PCIE Gen4(到底是4GB/s还是2GB/s的速率？Power9似乎指的是4GB/s)，以及在AFU接口添加了DMA通道，支持PCIE的native 操作，便于AFU直接通过PCIE访问。值的一提的是其提供了NVlink接口可以直接对接nVIDIA的GPU，也可以复用为OpenCAPI的phy（bluelink）。(yxr注：OpenCAPI在后续会介绍)

2.1.2          技术背景以及开放式总线接口

由于在大数据/云计算/HPC（超算）/人工智能（深度学习）等大计算大存储领域，单靠CPU性能提升无法胜任越来越复杂的高运算量的需求。最近的趋势显示[dream2] ，CPU创造的价值越来越小，而加速器以及更多的依附于CPU的疯狂创新则创造了更大的价值，所以高速、低延迟、协同操作(coherent)的(CPU)高性能总线(或称为互联加速接口)成为了业界急迫的需求。CAPI则是在这种背景下出现（yxr注：对应于intel，则是QPI通道），但其依附于OpenPower的CPU体系。业界为了满足业务需求，更希望能出现一套开放式总线，独立于不同的ISA和CPU体系，并且不仅仅为了对接accelerator，而且也面向未来高速的memory，网络存储以及高速network，实现计算机集群的互联和高速运算。所以2016年共出现了3个开放标准，分别是CCIX,Gen-Z,OpenCAPI[dream3] 。

  三个标准的目的相似，侧重点有些差异，成员也互相交叉，甚至有成员在三个组里（比如AMD、IBM、Xilinx、Micron等，而Google和nVIDIA仅仅在OpenCAPI，当然intel不在这三个组里）。

  CCIX物理介质基于PCIE，实现处理器和加速器全cache一致性。而Gen-Z则侧重于机框之间的互联一致性加速。OpenCAPI则获得了IBM的Power9支持。（yxr猜测：相信最后这三个标准将会统一，因为其共同的敌人应该是intel吧，也许intel加入后又不同了）

2.2         Cache

CAPI里的coherent是指cache coherency。而理解cache coherency，需要从cache的认识入手，对于cache熟悉的读者可以略过本节，以下均是自己不专业地从网上搜罗整理。

2.2.1          浅析Cache

由于CPU运算速度要比内存读写速度快很多，这样会使CPU花费更多时间等待数据到来或把数据写入内存。内存一般由高密度的动态内存DRAM组成，所以其访问速度相对慢于CPU速度（需要行地址和列地址，以及刷新操作，等待周期等，并且功耗大）。

现代计算机中一般在CPU和内存之间插入了一个SRAM，作为cache，用于解决CPU速度运行速度快和内存访问速度相对慢的矛盾。CPU不再能直接访问内存[dream4] ，而是访问cache，见下面示意图

SRAM的访问速度远快于DRAM，克服了CPU访问内存的瓶颈，其缺点是无法做成大容量。引入 Cache（SRAM）的理论基础是程序局部性原理，包括时间局部性和空间局部性。即最近被CPU访问的数据，短期内 CPU还要访问（时间）；被 CPU 访问的数据附近的数据，CPU 短期内还要访问（空间）。因此如果将刚刚访问过的数据缓存在 Cache中，那下次访问时，可以直接从Cache中取，其速度可以得到数量级的提高[dream5] 。

在高级的CPU中，存在二级缓存，服务器等CPU则达到三级缓存[dream6] 。Power9含有12个SMT8 core，每个core有三级缓存[dream7] ，10 MB Capacity L3+  512k L2（SRAM）,而一级缓存则由32kB instruction cache（I-cache）和32kB data cache（D-cache）组成。三级缓存工12x10MB=120 MB 其实是Shared Capacity NUCA Cache由eDRAM组成，目的是为了[dream8] 大容量并行计算以及异种互动。

如下是以intel core2 双核处理器为例，其为双核，使用二级缓存。1级缓存是每个core对应有32KB L1 数据和32KB L1 指令。而二级缓存为6MB[dream9] 为双核共享，其cache line均为64byte。（Yxr注：Power9与其相比，似乎是插入了一级SRAM作为2级缓存。）

http://www.cnblogs.com/xkfz007/archive/2012/10/08/2715163.html

2.2.2          Cache访问方式

如上图所示，CPU无法直接访问内存，只能沿着Register —> L1 Cache —> L2 Cache —> L3 Cache —> Memory —> Mass storage的层次结构进行访问。CPU访问内存则存在4种方式，

读写各两种，读有 look through 和 look aside方式，写有 write through 和write back

Look through：指的是CPU读请求只能发给cache，如果命中则cache回内容给CPU，结束本次访问。如果没有命中（hit），则cache将读请求发给内存。

Look aside： 则是CPU的读请求同时给cache和内存[dream10]  ，如果cache命中，则cache回数据并且中断内存读。如果没有命中，则不中断内存读操作，继续内存访问，好处是减少了延迟，缺点是每次都将发起内存总线读操作，占用了内存访问总线[dream11] 。

Write through：透过本级缓存，直接把数据写到下一级缓存（或直接到内存）中，如果对应的段被缓存了，我们同时更新缓存中的内容（甚至直接丢弃）。优点是操作简单，保证缓存和内存一致，缺点是降低了系统写速度，占用了内存的访问总线。

Write back：（yxr注：有两种说法，回写时机不一样，不清楚哪种正确！！！）

1种说法.缓存不会立即把写操作传递到下一级，而是仅修改本级缓存中的数据，并且把对应的缓存段标记为“脏”段。脏段会触发回写，也就是把里面的内容写到对应的内存或下一级缓存中。回写后，脏段又变“干净”了。当一个脏段被丢弃的时候，总是先要进行一次回写[dream12] 。

2种说法. 数据一般只写到Cache，这样有可能出现Cache中的数据得到更新而主存（Main Storage）中的数据不变(数据陈旧)的情况。但此时可在Cache 中设一标志地址及数据陈旧的信息，只有当Cache中的数据被再次更改时，才将原更新的数据写入主存相应的单元中，然后再接受再次更新的数据。这样保证了 Cache和主存中的数据不致产生冲突。

有些（大多数是比较老的）CPU只使用直写模式，有些只使用回写模式，还有一些，一级缓存使用直写而二级缓存使用回写。这样做虽然在一级和二级缓存之间产生了不必要的数据流量，但二级缓存和更低级缓存或内存之间依然保留了回写的优势。

2.2.3          缓存映射方式和cache line

Cache的内部结构含有内存地址和cache内部地址映射关系，以及存储内存数据的单元。

Cache line是cache加载内存的基本操作单位，每次加载一个cache line而不是一个字节。大小是32（较早的ARM、90年代/2000年代早期的x86和PowerPC）、64（较新的ARM和x86）或128（较新的Power ISA机器）字节，（yxr注：cache line大小可能和DRAM内存的内部结构有关，一个基本内存访问的基本操作可能是8个时钟的数据，而数据线宽度为32，64，128bit （注意不要跨DRAM的bank[dream13] ））

每个cache line，都有如下类似的结构，tag是数据块在内存中的地址，data block则是数据内容，flag bits则是valid和脏等标志，甚至一些算法信息

而相对于内存的物理地址，则可理解为如下结构，其原因是缓存与内存的映射关系造成。

这里的 page 不是分页机制的page概念，而是cache 内部的page，line则是cache line所在的位置，offset则是具体数据所在字节（？理解正确吗），具体理解需要从cache的映射关系来看。

Cache与主存有三种映射关系，可参考如下资料(高速缓存与主存的三种映射方式[dream14] 

http://blog.csdn.net/hs794502825/article/details/37937949 (ok)讲的比较好，这里直接搬过来)，  https://en.wikipedia.org/wiki/CPU_cache，http://blog.sina.com.cn/s/blog_5ccec1e30100yte3.html）

1、全相联映射方式    (full-associative）

2、直接相联映射方式  (direct map,相当于1-way associative) http://www.cs.umd.edu/class/sum2003/cmsc311/Notes/Memory/direct.html

3、组相联映射方式    (2-way,8-way  N-Way Set-Associative) 这个是现在CPU中用的较多的方式，算是前面两种的组合折中[dream15] 

http://blog.csdn.net/leoufung/article/details/48804627 http://blog.csdn.net/zdl1016/article/details/8882092

http://www.mouseos.com/arch/cache.html

1、全相联映射是指主存中任意一个块都可以映射到cache中任意一个块的方式，也就是说，当主存中的某一块需调入cache时，可根据当时cache的块占用或分配情况，选择一个块给主存块存储，所选的cache块可以是cache中的任意一个块。所以需要一个表存放cache和内存之间的关系，如下图

（Yxr注：这个就有点像CAM了，输入主存地址，输出index是cache的地址，然后找到对应的数据。在文中(1)Cache的组成结构_云中鸿雁_新浪博客提到，组相联映射方式中，在同一个Set中，Real Address Tag阵列多使用CAM(Content Addressable Memory)存放，以利于并行查找PS(Parallel Search)方式的实现）

优点是cache利用率高，命中率高。缺点是存储相联关系的存储器（相联存储器）庞大，查找整个cache，比较电路复杂，速度慢，无法做大。

2、直接相联映射方式

直接相联映射方式是指主存的某块j只能映射到满足如下特定关系的cache块i中：

i＝j mod 2^C

主存的第0、2^C、2^(C＋1)、…块只能映射到cache的第0块，主存的第1、2^C+1、2^(C＋1)+1、…块只能映射到cache的第1块，……，主存的第2^C-1、2^(C＋1)-1、…2^M-1块只能映射到cache的第2^C-1块。即：对2^C求余后余数相同的主存块对应cache中同一个块。如下图所示：

优点：比较电路最简单，地址映射方式简单，数据访问时，只需检查区号是否相等即可，因而可以得到比较快的访问速度，硬件设备简单。

缺点：cache块冲突率较高，余数相同的主存块无法同时进入cache，从而降低了cache的利用率。

3、组相联映射方式

结合了上面两种方法，这样主存的某一块不会限制在cache的某一块中，而是限制在某一组中。

组相联映射方式下，将cache分成2^u组，每组包含2^v块。主存的块与cache的组之间采用直接相联映射，而与组内的各块则采用全相联映射。也就是说，主存的某块只能映射到cache的特定组中的任意一块。主存的某块j与cache的组k之间满足如下关系：k＝j mod 2^u

设主存共有2^s×2^u块（即M＝s+u），则它们的映射关系如下图所示：

Yxr注：这里的组应该就是way[dream16] ，文章适合更进一步理解cache（http://www.mouseos.com/arch/cache.html）。在理解cache中的8-way set或者AMD 的2-way set，就是8组或者2组。Power8的L2 也是512 KB 8 way per core。

优点：块的冲突概率比较低，块的利用率大幅度提高，块失效率明显降低。

缺点：实现难度和造价要比直接映射方式高。

延伸阅读

1）现代CPU中，更多采用组相联映射方法。在Cache的组成结构一文（Cache的组成结构_云中鸿雁_新浪博客）中，有着更进一步讲述这几种方法的演进和优劣，以及组的个数和效率之间关系。值得进一步阅读。

2）在《理解 Cache》（mik@mouseos.com）中则举例了AMD和intel的CPU，如下是AMD的2-way cache

cache 中的 other 部分还包括了 cache 的状态信息，LRU（least Recently Used）算法等，还包括一些预解码，分支预测等一些信息

2.3         Cache Coherency

以上介绍了单CPU核的单个Cache的内部组成，当多个CPU的多组cache在一起工作时，就牵涉到cache的一致性。CAPI里的Coherent指的是cache Coherency[dream17] ，即缓存一致性。多核CPU中，均有各自的cache，如何保证各个cache的内容一致性以及和内存的一致性，是一致性协议需要解决的问题。

这里推荐一篇介绍cache coherency的文章。《Cache coherency primer》《缓存一致性入门》

http://www.infoq.com/cn/articles/cache-coherency-primer

文中介绍cache的来源、cache line(yxr注：有意思的是作者认为cache line应该是指一段内存内容，并不一定在cache中)的含义和cache访问所遵循的定理。指出一致性问题来源是由于多组cache造成的，而不是多核造成，如果多核共用一个cache，则不存在此问题。在解决一致性问题中提到了最普遍的方法，snoop协议，其物理基础是在多核系统里，每个CPU都有自己的cache系统，但同时和唯一的一个memroy控制器交互，所以均能够窥探（snoop）到memory 的访问，知道其他cache访问内存的动作，从而更新和操作自己的cache。在write-through模式中，各组cache知道其他cache的动作，可以马上更新，但是对于write-back模式，就存在问题，可能出现多个CPU核的cache同时更新一块内存。所以在修改本地缓存之前，就要告知其他处理器。处理回写模式这个问题的最简单方案，我们通常叫做MESI协议（梅西我最喜欢的球员啊，MESI是Modified、Exclusive、Shared、Invalid的首字母缩写，代表四种缓存状态[dream18] ）.

原生的MESI协议

MESI是四种缓存段状态的首字母缩写，任何多核系统中的缓存段cache line都处于这四种状态之一，各个cache之间需要相互通信，完成各个状态的装换，保证cache的一致性。出于合理性，文中以相反的顺序逐个讲解MESI：

失效（Invalid）缓存段，要么已经不在缓存中，要么它的内容已经过时。为了达到缓存的目的，这种状态的段将会被忽略。一旦缓存段被标记为失效，那效果就等同于它从来没被加载到缓存中。

共享（Shared）缓存段，它是和主内存内容保持一致的一份拷贝，在这种状态下的缓存段只能被读取，不能被写入。多组缓存可以同时拥有针对同一内存地址的共享缓存段，这就是名称的由来。

独占（Exclusive）缓存段，和S状态一样，也是和主内存内容保持一致的一份拷贝。区别在于，如果一个处理器持有了某个E状态的缓存段，那其他处理器就不能同时持有它，所以叫“独占”。这意味着，如果其他处理器原本也持有同一缓存段，那么它会马上变成“失效”状态。

已修改（Modified）缓存段，属于脏段，它们已经被所属的处理器修改了。如果一个段处于已修改状态，那么它在其他处理器缓存中的拷贝马上会变成失效状态，这个规律和E状态一样。此外，已修改缓存段如果被丢弃或标记为失效，那么先要把它的内容回写到内存中——这和回写模式下常规的脏段处理方式一样。

MESI协议是一个合适的状态机，既能处理来自本地处理器的请求，也能把信息广播到总线上[dream19] 。E状态解决了“在我们开始修改某块内存之前，我们需要告诉其他处理器”这一问题：只有当缓存段处于E或M状态时，处理器才能去写它，也就是说只有这两种状态下，处理器是独占这个缓存段的。当处理器想写某个缓存段时，如果它没有独占权，它必须先发送一条“我要独占权”的请求给总线，这会通知其他处理器，把它们拥有的同一缓存段的拷贝失效（如果它们有的话）。只有在获得独占权后，处理器才能开始修改数据——并且此时，这个处理器知道，这个缓存段只有一份拷贝，在我自己的缓存里，所以不会有任何冲突。

反之，如果有其他处理器想读取这个缓存段（我们马上能知道，因为我们一直在窥探总线），独占或已修改的缓存段必须先回到“共享”状态。如果是已修改的缓存段，那么还要先把内容回写到内存中。

MESI定律：在所有的脏缓存段（M状态）被回写后，任意缓存级别的所有缓存段中的内容，和它们对应的内存中的内容一致。此外，在任意时刻，当某个位置的内存被一个处理器加载入独占缓存段时（E状态），那它就不会再出现在其他任何处理器的缓存中。

除了基于窥探(snoop)协议来完成cache coherency，文中同时指出还有一种基于目录的cache coherency协议，虽然延迟大，但更适用于大规模的多核系统，在《cache的理解》一文中，可以看到在 Intel 中，使用 Directory 结构来匹配查找数据

上面这个图显示了使用 Direcotry 结构进行查找，同样是需要匹配 page 值。这些 status 值和 AMD的other 异曲同工的作用，记录着每条 cache line 的状态值。

2.4         Power CPU的cache coherency系统

在Power多[dream20] CPU的体系下，多核cache的关系如下图所示

摘自http://www.csdn.net/article/2015-06-17/2824990

   ccA就是cache coherency agent，猜测就是cache 一致性处理机构，完成了cache 一致性协议比如snooping（图中的probe应为此功能），MESI协议，或基于directory的更新。MC是memory controller，控制RAM的访问。而CAPI 则是基于PCIE的物理介质，通过CPU上的RC(PCIE root complex)访问MC。为达到cache一致性，在CAPI接口上应该有个类似ccA的模块，这里就是CAPP和PSL的一部分(见下图)，其中PSL含有cache约256KB（为L2cache的一半）。