mem-cache: Add getter for the number of valid sub-blks
[gem5.git] / src / mem / cache / cache.cc
index aa95d56041458e1982e6bcd374ce817c5ae0082a..a4f2baeb6593230c8e1939b6472b402239803f51 100644 (file)
@@ -1,5 +1,5 @@
 /*
- * Copyright (c) 2010-2015 ARM Limited
+ * Copyright (c) 2010-2019 ARM Limited
  * All rights reserved.
  *
  * The license below extends only to copyright in the software and shall
@@ -44,6 +44,7 @@
  *          Steve Reinhardt
  *          Ron Dreslinski
  *          Andreas Sandberg
+ *          Nikos Nikoleris
  */
 
 /**
 
 #include "mem/cache/cache.hh"
 
-#include "base/misc.hh"
+#include <cassert>
+
+#include "base/compiler.hh"
+#include "base/logging.hh"
+#include "base/trace.hh"
 #include "base/types.hh"
 #include "debug/Cache.hh"
-#include "debug/CachePort.hh"
 #include "debug/CacheTags.hh"
-#include "mem/cache/blk.hh"
+#include "debug/CacheVerbose.hh"
+#include "enums/Clusivity.hh"
+#include "mem/cache/cache_blk.hh"
 #include "mem/cache/mshr.hh"
-#include "mem/cache/prefetch/base.hh"
-#include "sim/sim_exit.hh"
+#include "mem/cache/tags/base.hh"
+#include "mem/cache/write_queue_entry.hh"
+#include "mem/request.hh"
+#include "params/Cache.hh"
 
 Cache::Cache(const CacheParams *p)
     : BaseCache(p, p->system->cacheLineSize()),
-      tags(p->tags),
-      prefetcher(p->prefetcher),
-      doFastWrites(true),
-      prefetchOnAccess(p->prefetch_on_access)
-{
-    tempBlock = new CacheBlk();
-    tempBlock->data = new uint8_t[blkSize];
-
-    cpuSidePort = new CpuSidePort(p->name + ".cpu_side", this,
-                                  "CpuSidePort");
-    memSidePort = new MemSidePort(p->name + ".mem_side", this,
-                                  "MemSidePort");
-
-    tags->setCache(this);
-    if (prefetcher)
-        prefetcher->setCache(this);
-}
-
-Cache::~Cache()
+      doFastWrites(true)
 {
-    delete [] tempBlock->data;
-    delete tempBlock;
-
-    delete cpuSidePort;
-    delete memSidePort;
 }
 
 void
-Cache::regStats()
+Cache::satisfyRequest(PacketPtr pkt, CacheBlk *blk,
+                      bool deferred_response, bool pending_downgrade)
 {
-    BaseCache::regStats();
-}
+    BaseCache::satisfyRequest(pkt, blk);
 
-void
-Cache::cmpAndSwap(CacheBlk *blk, PacketPtr pkt)
-{
-    assert(pkt->isRequest());
-
-    uint64_t overwrite_val;
-    bool overwrite_mem;
-    uint64_t condition_val64;
-    uint32_t condition_val32;
-
-    int offset = tags->extractBlkOffset(pkt->getAddr());
-    uint8_t *blk_data = blk->data + offset;
-
-    assert(sizeof(uint64_t) >= pkt->getSize());
-
-    overwrite_mem = true;
-    // keep a copy of our possible write value, and copy what is at the
-    // memory address into the packet
-    pkt->writeData((uint8_t *)&overwrite_val);
-    pkt->setData(blk_data);
-
-    if (pkt->req->isCondSwap()) {
-        if (pkt->getSize() == sizeof(uint64_t)) {
-            condition_val64 = pkt->req->getExtraData();
-            overwrite_mem = !std::memcmp(&condition_val64, blk_data,
-                                         sizeof(uint64_t));
-        } else if (pkt->getSize() == sizeof(uint32_t)) {
-            condition_val32 = (uint32_t)pkt->req->getExtraData();
-            overwrite_mem = !std::memcmp(&condition_val32, blk_data,
-                                         sizeof(uint32_t));
-        } else
-            panic("Invalid size for conditional read/write\n");
-    }
-
-    if (overwrite_mem) {
-        std::memcpy(blk_data, &overwrite_val, pkt->getSize());
-        blk->status |= BlkDirty;
-    }
-}
-
-
-void
-Cache::satisfyCpuSideRequest(PacketPtr pkt, CacheBlk *blk,
-                             bool deferred_response, bool pending_downgrade)
-{
-    assert(pkt->isRequest());
-
-    assert(blk && blk->isValid());
-    // Occasionally this is not true... if we are a lower-level cache
-    // satisfying a string of Read and ReadEx requests from
-    // upper-level caches, a Read will mark the block as shared but we
-    // can satisfy a following ReadEx anyway since we can rely on the
-    // Read requester(s) to have buffered the ReadEx snoop and to
-    // invalidate their blocks after receiving them.
-    // assert(!pkt->needsExclusive() || blk->isWritable());
-    assert(pkt->getOffset(blkSize) + pkt->getSize() <= blkSize);
-
-    // Check RMW operations first since both isRead() and
-    // isWrite() will be true for them
-    if (pkt->cmd == MemCmd::SwapReq) {
-        cmpAndSwap(blk, pkt);
-    } else if (pkt->isWrite()) {
-        assert(blk->isWritable());
-        // Write or WriteLine at the first cache with block in Exclusive
-        if (blk->checkWrite(pkt)) {
-            pkt->writeDataToBlock(blk->data, blkSize);
-        }
-        // Always mark the line as dirty even if we are a failed
-        // StoreCond so we supply data to any snoops that have
-        // appended themselves to this cache before knowing the store
-        // will fail.
-        blk->status |= BlkDirty;
-        DPRINTF(Cache, "%s for %s addr %#llx size %d (write)\n", __func__,
-                pkt->cmdString(), pkt->getAddr(), pkt->getSize());
-    } else if (pkt->isRead()) {
-        if (pkt->isLLSC()) {
-            blk->trackLoadLocked(pkt);
-        }
-        pkt->setDataFromBlock(blk->data, blkSize);
-        // determine if this read is from a (coherent) cache, or not
-        // by looking at the command type; we could potentially add a
-        // packet attribute such as 'FromCache' to make this check a
-        // bit cleaner
-        if (pkt->cmd == MemCmd::ReadExReq ||
-            pkt->cmd == MemCmd::ReadSharedReq ||
-            pkt->cmd == MemCmd::ReadCleanReq ||
-            pkt->cmd == MemCmd::SCUpgradeFailReq) {
+    if (pkt->isRead()) {
+        // determine if this read is from a (coherent) cache or not
+        if (pkt->fromCache()) {
             assert(pkt->getSize() == blkSize);
             // special handling for coherent block requests from
             // upper-level caches
-            if (pkt->needsExclusive()) {
+            if (pkt->needsWritable()) {
                 // sanity check
                 assert(pkt->cmd == MemCmd::ReadExReq ||
                        pkt->cmd == MemCmd::SCUpgradeFailReq);
+                assert(!pkt->hasSharers());
 
                 // if we have a dirty copy, make sure the recipient
-                // keeps it marked dirty
+                // keeps it marked dirty (in the modified state)
                 if (blk->isDirty()) {
-                    pkt->assertMemInhibit();
+                    pkt->setCacheResponding();
+                    blk->status &= ~BlkDirty;
                 }
-                // on ReadExReq we give up our copy unconditionally
-                if (blk != tempBlock)
-                    tags->invalidate(blk);
-                blk->invalidate();
             } else if (blk->isWritable() && !pending_downgrade &&
-                       !pkt->sharedAsserted() &&
+                       !pkt->hasSharers() &&
                        pkt->cmd != MemCmd::ReadCleanReq) {
-                // we can give the requester an exclusive copy (by not
-                // asserting shared line) on a read request if:
-                // - we have an exclusive copy at this level (& below)
+                // we can give the requester a writable copy on a read
+                // request if:
+                // - we have a writable copy at this level (& below)
                 // - we don't have a pending snoop from below
                 //   signaling another read request
                 // - no other cache above has a copy (otherwise it
-                //   would have asseretd shared line on request)
-                // - we are not satisfying an instruction fetch (this
-                //   prevents dirty data in the i-cache)
-
+                //   would have set hasSharers flag when
+                //   snooping the packet)
+                // - the read has explicitly asked for a clean
+                //   copy of the line
                 if (blk->isDirty()) {
                     // special considerations if we're owner:
                     if (!deferred_response) {
-                        // if we are responding immediately and can
-                        // signal that we're transferring ownership
-                        // along with exclusivity, do so
-                        pkt->assertMemInhibit();
+                        // respond with the line in Modified state
+                        // (cacheResponding set, hasSharers not set)
+                        pkt->setCacheResponding();
+
+                        // if this cache is mostly inclusive, we
+                        // keep the block in the Exclusive state,
+                        // and pass it upwards as Modified
+                        // (writable and dirty), hence we have
+                        // multiple caches, all on the same path
+                        // towards memory, all considering the
+                        // same block writable, but only one
+                        // considering it Modified
+
+                        // we get away with multiple caches (on
+                        // the same path to memory) considering
+                        // the block writeable as we always enter
+                        // the cache hierarchy through a cache,
+                        // and first snoop upwards in all other
+                        // branches
                         blk->status &= ~BlkDirty;
                     } else {
                         // if we're responding after our own miss,
                         // there's a window where the recipient didn't
                         // know it was getting ownership and may not
                         // have responded to snoops correctly, so we
-                        // can't pass off ownership *or* exclusivity
-                        pkt->assertShared();
+                        // have to respond with a shared line
+                        pkt->setHasSharers();
                     }
                 }
             } else {
                 // otherwise only respond with a shared copy
-                pkt->assertShared();
+                pkt->setHasSharers();
             }
         }
-    } else {
-        // Upgrade or Invalidate, since we have it Exclusively (E or
-        // M), we ack then invalidate.
-        assert(pkt->isUpgrade() || pkt->isInvalidate());
-        assert(blk != tempBlock);
-        tags->invalidate(blk);
-        blk->invalidate();
-        DPRINTF(Cache, "%s for %s addr %#llx size %d (invalidation)\n",
-                __func__, pkt->cmdString(), pkt->getAddr(), pkt->getSize());
     }
 }
 
-
-/////////////////////////////////////////////////////
-//
-// MSHR helper functions
-//
-/////////////////////////////////////////////////////
-
-
-void
-Cache::markInService(MSHR *mshr, bool pending_dirty_resp)
-{
-    markInServiceInternal(mshr, pending_dirty_resp);
-}
-
 /////////////////////////////////////////////////////
 //
 // Access path: requests coming in from the CPU side
@@ -273,163 +164,41 @@ bool
 Cache::access(PacketPtr pkt, CacheBlk *&blk, Cycles &lat,
               PacketList &writebacks)
 {
-    // sanity check
-    assert(pkt->isRequest());
 
-    chatty_assert(!(isReadOnly && pkt->isWrite()),
-                  "Should never see a write in a read-only cache %s\n",
-                  name());
+    if (pkt->req->isUncacheable()) {
+        assert(pkt->isRequest());
 
-    DPRINTF(Cache, "%s for %s addr %#llx size %d\n", __func__,
-            pkt->cmdString(), pkt->getAddr(), pkt->getSize());
+        chatty_assert(!(isReadOnly && pkt->isWrite()),
+                      "Should never see a write in a read-only cache %s\n",
+                      name());
 
-    if (pkt->req->isUncacheable()) {
-        DPRINTF(Cache, "%s%s addr %#llx uncacheable\n", pkt->cmdString(),
-                pkt->req->isInstFetch() ? " (ifetch)" : "",
-                pkt->getAddr());
+        DPRINTF(Cache, "%s for %s\n", __func__, pkt->print());
 
         // flush and invalidate any existing block
         CacheBlk *old_blk(tags->findBlock(pkt->getAddr(), pkt->isSecure()));
         if (old_blk && old_blk->isValid()) {
-            if (old_blk->isDirty())
-                writebacks.push_back(writebackBlk(old_blk));
-            else
-                writebacks.push_back(cleanEvictBlk(old_blk));
-            tags->invalidate(old_blk);
-            old_blk->invalidate();
+            BaseCache::evictBlock(old_blk, writebacks);
         }
 
-        blk = NULL;
+        blk = nullptr;
         // lookupLatency is the latency in case the request is uncacheable.
         lat = lookupLatency;
         return false;
     }
 
-    ContextID id = pkt->req->hasContextId() ?
-        pkt->req->contextId() : InvalidContextID;
-    // Here lat is the value passed as parameter to accessBlock() function
-    // that can modify its value.
-    blk = tags->accessBlock(pkt->getAddr(), pkt->isSecure(), lat, id);
-
-    DPRINTF(Cache, "%s%s addr %#llx size %d (%s) %s\n", pkt->cmdString(),
-            pkt->req->isInstFetch() ? " (ifetch)" : "",
-            pkt->getAddr(), pkt->getSize(), pkt->isSecure() ? "s" : "ns",
-            blk ? "hit " + blk->print() : "miss");
-
-
-    if (pkt->evictingBlock()) {
-        // We check for presence of block in above caches before issuing
-        // Writeback or CleanEvict to write buffer. Therefore the only
-        // possible cases can be of a CleanEvict packet coming from above
-        // encountering a Writeback generated in this cache peer cache and
-        // waiting in the write buffer. Cases of upper level peer caches
-        // generating CleanEvict and Writeback or simply CleanEvict and
-        // CleanEvict almost simultaneously will be caught by snoops sent out
-        // by crossbar.
-        std::vector<MSHR *> outgoing;
-        if (writeBuffer.findMatches(pkt->getAddr(), pkt->isSecure(),
-                                   outgoing)) {
-            assert(outgoing.size() == 1);
-            PacketPtr wbPkt = outgoing[0]->getTarget()->pkt;
-            assert(pkt->cmd == MemCmd::CleanEvict &&
-                   wbPkt->cmd == MemCmd::Writeback);
-            // As the CleanEvict is coming from above, it would have snooped
-            // into other peer caches of the same level while traversing the
-            // crossbar. If a copy of the block had been found, the CleanEvict
-            // would have been deleted in the crossbar. Now that the
-            // CleanEvict is here we can be sure none of the other upper level
-            // caches connected to this cache have the block, so we can clear
-            // the BLOCK_CACHED flag in the Writeback if set and discard the
-            // CleanEvict by returning true.
-            wbPkt->clearBlockCached();
-            return true;
-        }
-    }
-
-    // Writeback handling is special case.  We can write the block into
-    // the cache without having a writeable copy (or any copy at all).
-    if (pkt->cmd == MemCmd::Writeback) {
-        assert(blkSize == pkt->getSize());
-        if (blk == NULL) {
-            // need to do a replacement
-            blk = allocateBlock(pkt->getAddr(), pkt->isSecure(), writebacks);
-            if (blk == NULL) {
-                // no replaceable block available: give up, fwd to next level.
-                incMissCount(pkt);
-                return false;
-            }
-            tags->insertBlock(pkt, blk);
-
-            blk->status = (BlkValid | BlkReadable);
-            if (pkt->isSecure()) {
-                blk->status |= BlkSecure;
-            }
-        }
-        blk->status |= BlkDirty;
-        // if shared is not asserted we got the writeback in modified
-        // state, if it is asserted we are in the owned state
-        if (!pkt->sharedAsserted()) {
-            blk->status |= BlkWritable;
-        }
-        // nothing else to do; writeback doesn't expect response
-        assert(!pkt->needsResponse());
-        std::memcpy(blk->data, pkt->getConstPtr<uint8_t>(), blkSize);
-        DPRINTF(Cache, "%s new state is %s\n", __func__, blk->print());
-        incHitCount(pkt);
-        return true;
-    } else if (pkt->cmd == MemCmd::CleanEvict) {
-        if (blk != NULL) {
-            // Found the block in the tags, need to stop CleanEvict from
-            // propagating further down the hierarchy. Returning true will
-            // treat the CleanEvict like a satisfied write request and delete
-            // it.
-            return true;
-        }
-        // We didn't find the block here, propagate the CleanEvict further
-        // down the memory hierarchy. Returning false will treat the CleanEvict
-        // like a Writeback which could not find a replaceable block so has to
-        // go to next level.
-        return false;
-    } else if ((blk != NULL) &&
-               (pkt->needsExclusive() ? blk->isWritable()
-                                      : blk->isReadable())) {
-        // OK to satisfy access
-        incHitCount(pkt);
-        satisfyCpuSideRequest(pkt, blk);
-        return true;
-    }
-
-    // Can't satisfy access normally... either no block (blk == NULL)
-    // or have block but need exclusive & only have shared.
-
-    incMissCount(pkt);
-
-    if (blk == NULL && pkt->isLLSC() && pkt->isWrite()) {
-        // complete miss on store conditional... just give up now
-        pkt->req->setExtraData(0);
-        return true;
-    }
-
-    return false;
+    return BaseCache::access(pkt, blk, lat, writebacks);
 }
 
-
-class ForwardResponseRecord : public Packet::SenderState
-{
-  public:
-
-    ForwardResponseRecord() {}
-};
-
 void
 Cache::doWritebacks(PacketList& writebacks, Tick forward_time)
 {
     while (!writebacks.empty()) {
         PacketPtr wbPkt = writebacks.front();
         // We use forwardLatency here because we are copying writebacks to
-        // write buffer.  Call isCachedAbove for both Writebacks and
-        // CleanEvicts. If isCachedAbove returns true we set BLOCK_CACHED flag
-        // in Writebacks and discard CleanEvicts.
+        // write buffer.
+
+        // Call isCachedAbove for Writebacks, CleanEvicts and
+        // WriteCleans to discover if the block is cached above.
         if (isCachedAbove(wbPkt)) {
             if (wbPkt->cmd == MemCmd::CleanEvict) {
                 // Delete CleanEvict because cached copies exist above. The
@@ -437,7 +206,14 @@ Cache::doWritebacks(PacketList& writebacks, Tick forward_time)
                 // this is a non-snoop request packet which does not require a
                 // response.
                 delete wbPkt;
+            } else if (wbPkt->cmd == MemCmd::WritebackClean) {
+                // clean writeback, do not send since the block is
+                // still cached above
+                assert(writebackClean);
+                delete wbPkt;
             } else {
+                assert(wbPkt->cmd == MemCmd::WritebackDirty ||
+                       wbPkt->cmd == MemCmd::WriteClean);
                 // Set BLOCK_CACHED flag in Writeback and send below, so that
                 // the Writeback does not reset the bit corresponding to this
                 // address in the snoop filter below.
@@ -464,21 +240,22 @@ Cache::doWritebacksAtomic(PacketList& writebacks)
         // isCachedAbove returns true we set BLOCK_CACHED flag in Writebacks
         // and discard CleanEvicts.
         if (isCachedAbove(wbPkt, false)) {
-            if (wbPkt->cmd == MemCmd::Writeback) {
+            if (wbPkt->cmd == MemCmd::WritebackDirty ||
+                wbPkt->cmd == MemCmd::WriteClean) {
                 // Set BLOCK_CACHED flag in Writeback and send below,
                 // so that the Writeback does not reset the bit
                 // corresponding to this address in the snoop filter
                 // below. We can discard CleanEvicts because cached
                 // copies exist above. Atomic mode isCachedAbove
                 // modifies packet to set BLOCK_CACHED flag
-                memSidePort->sendAtomic(wbPkt);
+                memSidePort.sendAtomic(wbPkt);
             }
         } else {
             // If the block is not cached above, send packet below. Both
             // CleanEvict and Writeback with BLOCK_CACHED flag cleared will
             // reset the bit corresponding to this address in the snoop filter
             // below.
-            memSidePort->sendAtomic(wbPkt);
+            memSidePort.sendAtomic(wbPkt);
         }
         writebacks.pop_front();
         // In case of CleanEvicts, the packet destructor will delete the
@@ -492,31 +269,27 @@ Cache::doWritebacksAtomic(PacketList& writebacks)
 void
 Cache::recvTimingSnoopResp(PacketPtr pkt)
 {
-    DPRINTF(Cache, "%s for %s addr %#llx size %d\n", __func__,
-            pkt->cmdString(), pkt->getAddr(), pkt->getSize());
+    DPRINTF(Cache, "%s for %s\n", __func__, pkt->print());
 
-    assert(pkt->isResponse());
+    // determine if the response is from a snoop request we created
+    // (in which case it should be in the outstandingSnoop), or if we
+    // merely forwarded someone else's snoop request
+    const bool forwardAsSnoop = outstandingSnoop.find(pkt->req) ==
+        outstandingSnoop.end();
 
-    // must be cache-to-cache response from upper to lower level
-    ForwardResponseRecord *rec =
-        dynamic_cast<ForwardResponseRecord *>(pkt->senderState);
-    assert(!system->bypassCaches());
-
-    if (rec == NULL) {
-        // @todo What guarantee do we have that this HardPFResp is
-        // actually for this cache, and not a cache closer to the
-        // memory?
+    if (!forwardAsSnoop) {
+        // the packet came from this cache, so sink it here and do not
+        // forward it
         assert(pkt->cmd == MemCmd::HardPFResp);
-        // Check if it's a prefetch response and handle it. We shouldn't
-        // get any other kinds of responses without FRRs.
-        DPRINTF(Cache, "Got prefetch response from above for addr %#llx (%s)\n",
-                pkt->getAddr(), pkt->isSecure() ? "s" : "ns");
+
+        outstandingSnoop.erase(pkt->req);
+
+        DPRINTF(Cache, "Got prefetch response from above for addr "
+                "%#llx (%s)\n", pkt->getAddr(), pkt->isSecure() ? "s" : "ns");
         recvTimingResp(pkt);
         return;
     }
 
-    pkt->popSenderState();
-    delete rec;
     // forwardLatency is set here because there is a response from an
     // upper level cache.
     // To pay the delay that occurs if the packet comes from the bus,
@@ -524,7 +297,7 @@ Cache::recvTimingSnoopResp(PacketPtr pkt)
     Tick snoop_resp_time = clockEdge(forwardLatency) + pkt->headerDelay;
     // Reset the timing of the packet.
     pkt->headerDelay = pkt->payloadDelay = 0;
-    memSidePort->schedTimingSnoopResp(pkt, snoop_resp_time);
+    memSidePort.schedTimingSnoopResp(pkt, snoop_resp_time);
 }
 
 void
@@ -532,340 +305,193 @@ Cache::promoteWholeLineWrites(PacketPtr pkt)
 {
     // Cache line clearing instructions
     if (doFastWrites && (pkt->cmd == MemCmd::WriteReq) &&
-        (pkt->getSize() == blkSize) && (pkt->getOffset(blkSize) == 0)) {
+        (pkt->getSize() == blkSize) && (pkt->getOffset(blkSize) == 0) &&
+        !pkt->isMaskedWrite()) {
         pkt->cmd = MemCmd::WriteLineReq;
         DPRINTF(Cache, "packet promoted from Write to WriteLineReq\n");
     }
 }
 
-bool
-Cache::recvTimingReq(PacketPtr pkt)
+void
+Cache::handleTimingReqHit(PacketPtr pkt, CacheBlk *blk, Tick request_time)
 {
-    DPRINTF(CacheTags, "%s tags: %s\n", __func__, tags->print());
+    // should never be satisfying an uncacheable access as we
+    // flush and invalidate any existing block as part of the
+    // lookup
+    assert(!pkt->req->isUncacheable());
 
-    assert(pkt->isRequest());
+    BaseCache::handleTimingReqHit(pkt, blk, request_time);
+}
 
-    // Just forward the packet if caches are disabled.
-    if (system->bypassCaches()) {
-        // @todo This should really enqueue the packet rather
-        bool M5_VAR_USED success = memSidePort->sendTimingReq(pkt);
-        assert(success);
-        return true;
-    }
+void
+Cache::handleTimingReqMiss(PacketPtr pkt, CacheBlk *blk, Tick forward_time,
+                           Tick request_time)
+{
+    if (pkt->req->isUncacheable()) {
+        // ignore any existing MSHR if we are dealing with an
+        // uncacheable request
 
-    promoteWholeLineWrites(pkt);
+        // should have flushed and have no valid block
+        assert(!blk || !blk->isValid());
 
-    if (pkt->memInhibitAsserted()) {
-        // a cache above us (but not where the packet came from) is
-        // responding to the request
-        DPRINTF(Cache, "mem inhibited on addr %#llx (%s): not responding\n",
-                pkt->getAddr(), pkt->isSecure() ? "s" : "ns");
-
-        // if the packet needs exclusive, and the cache that has
-        // promised to respond (setting the inhibit flag) is not
-        // providing exclusive (it is in O vs M state), we know that
-        // there may be other shared copies in the system; go out and
-        // invalidate them all
-        if (pkt->needsExclusive() && !pkt->isSupplyExclusive()) {
-            // create a downstream express snoop with cleared packet
-            // flags, there is no need to allocate any data as the
-            // packet is merely used to co-ordinate state transitions
-            Packet *snoop_pkt = new Packet(pkt, true, false);
-
-            // also reset the bus time that the original packet has
-            // not yet paid for
-            snoop_pkt->headerDelay = snoop_pkt->payloadDelay = 0;
-
-            // make this an instantaneous express snoop, and let the
-            // other caches in the system know that the packet is
-            // inhibited, because we have found the authorative copy
-            // (O) that will supply the right data
-            snoop_pkt->setExpressSnoop();
-            snoop_pkt->assertMemInhibit();
-
-            // this express snoop travels towards the memory, and at
-            // every crossbar it is snooped upwards thus reaching
-            // every cache in the system
-            bool M5_VAR_USED success = memSidePort->sendTimingReq(snoop_pkt);
-            // express snoops always succeed
-            assert(success);
-
-            // main memory will delete the packet
-        }
+        stats.cmdStats(pkt).mshr_uncacheable[pkt->req->masterId()]++;
 
-        // queue for deletion, as the sending cache is still relying
-        // on the packet
-        pendingDelete.reset(pkt);
+        if (pkt->isWrite()) {
+            allocateWriteBuffer(pkt, forward_time);
+        } else {
+            assert(pkt->isRead());
 
-        // no need to take any action in this particular cache as the
-        // caches along the path to memory are allowed to keep lines
-        // in a shared state, and a cache above us already committed
-        // to responding
-        return true;
-    }
+            // uncacheable accesses always allocate a new MSHR
 
-    // anything that is merely forwarded pays for the forward latency and
-    // the delay provided by the crossbar
-    Tick forward_time = clockEdge(forwardLatency) + pkt->headerDelay;
+            // Here we are using forward_time, modelling the latency of
+            // a miss (outbound) just as forwardLatency, neglecting the
+            // lookupLatency component.
+            allocateMissBuffer(pkt, forward_time);
+        }
 
-    // We use lookupLatency here because it is used to specify the latency
-    // to access.
-    Cycles lat = lookupLatency;
-    CacheBlk *blk = NULL;
-    bool satisfied = false;
-    {
-        PacketList writebacks;
-        // Note that lat is passed by reference here. The function
-        // access() calls accessBlock() which can modify lat value.
-        satisfied = access(pkt, blk, lat, writebacks);
-
-        // copy writebacks to write buffer here to ensure they logically
-        // proceed anything happening below
-        doWritebacks(writebacks, forward_time);
+        return;
     }
 
-    // Here we charge the headerDelay that takes into account the latencies
-    // of the bus, if the packet comes from it.
-    // The latency charged it is just lat that is the value of lookupLatency
-    // modified by access() function, or if not just lookupLatency.
-    // In case of a hit we are neglecting response latency.
-    // In case of a miss we are neglecting forward latency.
-    Tick request_time = clockEdge(lat) + pkt->headerDelay;
-    // Here we reset the timing of the packet.
-    pkt->headerDelay = pkt->payloadDelay = 0;
-
-    // track time of availability of next prefetch, if any
-    Tick next_pf_time = MaxTick;
+    Addr blk_addr = pkt->getBlockAddr(blkSize);
 
-    bool needsResponse = pkt->needsResponse();
+    MSHR *mshr = mshrQueue.findMatch(blk_addr, pkt->isSecure());
 
-    if (satisfied) {
-        // should never be satisfying an uncacheable access as we
-        // flush and invalidate any existing block as part of the
-        // lookup
+    // Software prefetch handling:
+    // To keep the core from waiting on data it won't look at
+    // anyway, send back a response with dummy data. Miss handling
+    // will continue asynchronously. Unfortunately, the core will
+    // insist upon freeing original Packet/Request, so we have to
+    // create a new pair with a different lifecycle. Note that this
+    // processing happens before any MSHR munging on the behalf of
+    // this request because this new Request will be the one stored
+    // into the MSHRs, not the original.
+    if (pkt->cmd.isSWPrefetch()) {
+        assert(pkt->needsResponse());
+        assert(pkt->req->hasPaddr());
         assert(!pkt->req->isUncacheable());
 
-        // hit (for all other request types)
+        // There's no reason to add a prefetch as an additional target
+        // to an existing MSHR. If an outstanding request is already
+        // in progress, there is nothing for the prefetch to do.
+        // If this is the case, we don't even create a request at all.
+        PacketPtr pf = nullptr;
+
+        if (!mshr) {
+            // copy the request and create a new SoftPFReq packet
+            RequestPtr req = std::make_shared<Request>(pkt->req->getPaddr(),
+                                                       pkt->req->getSize(),
+                                                       pkt->req->getFlags(),
+                                                       pkt->req->masterId());
+            pf = new Packet(req, pkt->cmd);
+            pf->allocate();
+            assert(pf->matchAddr(pkt));
+            assert(pf->getSize() == pkt->getSize());
+        }
 
-        if (prefetcher && (prefetchOnAccess || (blk && blk->wasPrefetched()))) {
-            if (blk)
-                blk->status &= ~BlkHWPrefetched;
+        pkt->makeTimingResponse();
 
-            // Don't notify on SWPrefetch
-            if (!pkt->cmd.isSWPrefetch())
-                next_pf_time = prefetcher->notify(pkt);
-        }
+        // request_time is used here, taking into account lat and the delay
+        // charged if the packet comes from the xbar.
+        cpuSidePort.schedTimingResp(pkt, request_time);
 
-        if (needsResponse) {
-            pkt->makeTimingResponse();
-            // @todo: Make someone pay for this
-            pkt->headerDelay = pkt->payloadDelay = 0;
-
-            // In this case we are considering request_time that takes
-            // into account the delay of the xbar, if any, and just
-            // lat, neglecting responseLatency, modelling hit latency
-            // just as lookupLatency or or the value of lat overriden
-            // by access(), that calls accessBlock() function.
-            cpuSidePort->schedTimingResp(pkt, request_time);
-        } else {
-            // queue the packet for deletion, as the sending cache is
-            // still relying on it; if the block is found in access(),
-            // CleanEvict and Writeback messages will be deleted
-            // here as well
-            pendingDelete.reset(pkt);
-        }
-    } else {
-        // miss
+        // If an outstanding request is in progress (we found an
+        // MSHR) this is set to null
+        pkt = pf;
+    }
 
-        Addr blk_addr = blockAlign(pkt->getAddr());
+    BaseCache::handleTimingReqMiss(pkt, mshr, blk, forward_time, request_time);
+}
 
-        // ignore any existing MSHR if we are dealing with an
-        // uncacheable request
-        MSHR *mshr = pkt->req->isUncacheable() ? nullptr :
-            mshrQueue.findMatch(blk_addr, pkt->isSecure());
-
-        // Software prefetch handling:
-        // To keep the core from waiting on data it won't look at
-        // anyway, send back a response with dummy data. Miss handling
-        // will continue asynchronously. Unfortunately, the core will
-        // insist upon freeing original Packet/Request, so we have to
-        // create a new pair with a different lifecycle. Note that this
-        // processing happens before any MSHR munging on the behalf of
-        // this request because this new Request will be the one stored
-        // into the MSHRs, not the original.
-        if (pkt->cmd.isSWPrefetch()) {
-            assert(needsResponse);
-            assert(pkt->req->hasPaddr());
-            assert(!pkt->req->isUncacheable());
-
-            // There's no reason to add a prefetch as an additional target
-            // to an existing MSHR. If an outstanding request is already
-            // in progress, there is nothing for the prefetch to do.
-            // If this is the case, we don't even create a request at all.
-            PacketPtr pf = nullptr;
-
-            if (!mshr) {
-                // copy the request and create a new SoftPFReq packet
-                RequestPtr req = new Request(pkt->req->getPaddr(),
-                                             pkt->req->getSize(),
-                                             pkt->req->getFlags(),
-                                             pkt->req->masterId());
-                pf = new Packet(req, pkt->cmd);
-                pf->allocate();
-                assert(pf->getAddr() == pkt->getAddr());
-                assert(pf->getSize() == pkt->getSize());
-            }
+void
+Cache::recvTimingReq(PacketPtr pkt)
+{
+    DPRINTF(CacheTags, "%s tags:\n%s\n", __func__, tags->print());
 
-            pkt->makeTimingResponse();
-            // for debugging, set all the bits in the response data
-            // (also keeps valgrind from complaining when debugging settings
-            //  print out instruction results)
-            std::memset(pkt->getPtr<uint8_t>(), 0xFF, pkt->getSize());
-            // request_time is used here, taking into account lat and the delay
-            // charged if the packet comes from the xbar.
-            cpuSidePort->schedTimingResp(pkt, request_time);
-
-            // If an outstanding request is in progress (we found an
-            // MSHR) this is set to null
-            pkt = pf;
-        }
+    promoteWholeLineWrites(pkt);
 
-        if (mshr) {
-            /// MSHR hit
-            /// @note writebacks will be checked in getNextMSHR()
-            /// for any conflicting requests to the same block
-
-            //@todo remove hw_pf here
-
-            // Coalesce unless it was a software prefetch (see above).
-            if (pkt) {
-                assert(pkt->cmd != MemCmd::Writeback);
-                // CleanEvicts corresponding to blocks which have outstanding
-                // requests in MSHRs can be deleted here.
-                if (pkt->cmd == MemCmd::CleanEvict) {
-                    pendingDelete.reset(pkt);
-                } else {
-                    DPRINTF(Cache, "%s coalescing MSHR for %s addr %#llx size %d\n",
-                            __func__, pkt->cmdString(), pkt->getAddr(),
-                            pkt->getSize());
-
-                    assert(pkt->req->masterId() < system->maxMasters());
-                    mshr_hits[pkt->cmdToIndex()][pkt->req->masterId()]++;
-                    if (mshr->threadNum != 0/*pkt->req->threadId()*/) {
-                        mshr->threadNum = -1;
-                    }
-                    // We use forward_time here because it is the same
-                    // considering new targets. We have multiple
-                    // requests for the same address here. It
-                    // specifies the latency to allocate an internal
-                    // buffer and to schedule an event to the queued
-                    // port and also takes into account the additional
-                    // delay of the xbar.
-                    mshr->allocateTarget(pkt, forward_time, order++);
-                    if (mshr->getNumTargets() == numTarget) {
-                        noTargetMSHR = mshr;
-                        setBlocked(Blocked_NoTargets);
-                        // need to be careful with this... if this mshr isn't
-                        // ready yet (i.e. time > curTick()), we don't want to
-                        // move it ahead of mshrs that are ready
-                        // mshrQueue.moveToFront(mshr);
-                    }
-                }
-                // We should call the prefetcher reguardless if the request is
-                // satisfied or not, reguardless if the request is in the MSHR or
-                // not.  The request could be a ReadReq hit, but still not
-                // satisfied (potentially because of a prior write to the same
-                // cache line.  So, even when not satisfied, tehre is an MSHR
-                // already allocated for this, we need to let the prefetcher know
-                // about the request
-                if (prefetcher) {
-                    // Don't notify on SWPrefetch
-                    if (!pkt->cmd.isSWPrefetch())
-                        next_pf_time = prefetcher->notify(pkt);
-                }
-            }
-        } else {
-            // no MSHR
-            assert(pkt->req->masterId() < system->maxMasters());
-            if (pkt->req->isUncacheable()) {
-                mshr_uncacheable[pkt->cmdToIndex()][pkt->req->masterId()]++;
-            } else {
-                mshr_misses[pkt->cmdToIndex()][pkt->req->masterId()]++;
-            }
+    if (pkt->cacheResponding()) {
+        // a cache above us (but not where the packet came from) is
+        // responding to the request, in other words it has the line
+        // in Modified or Owned state
+        DPRINTF(Cache, "Cache above responding to %s: not responding\n",
+                pkt->print());
+
+        // if the packet needs the block to be writable, and the cache
+        // that has promised to respond (setting the cache responding
+        // flag) is not providing writable (it is in Owned rather than
+        // the Modified state), we know that there may be other Shared
+        // copies in the system; go out and invalidate them all
+        assert(pkt->needsWritable() && !pkt->responderHadWritable());
+
+        // an upstream cache that had the line in Owned state
+        // (dirty, but not writable), is responding and thus
+        // transferring the dirty line from one branch of the
+        // cache hierarchy to another
+
+        // send out an express snoop and invalidate all other
+        // copies (snooping a packet that needs writable is the
+        // same as an invalidation), thus turning the Owned line
+        // into a Modified line, note that we don't invalidate the
+        // block in the current cache or any other cache on the
+        // path to memory
+
+        // create a downstream express snoop with cleared packet
+        // flags, there is no need to allocate any data as the
+        // packet is merely used to co-ordinate state transitions
+        Packet *snoop_pkt = new Packet(pkt, true, false);
+
+        // also reset the bus time that the original packet has
+        // not yet paid for
+        snoop_pkt->headerDelay = snoop_pkt->payloadDelay = 0;
+
+        // make this an instantaneous express snoop, and let the
+        // other caches in the system know that the another cache
+        // is responding, because we have found the authorative
+        // copy (Modified or Owned) that will supply the right
+        // data
+        snoop_pkt->setExpressSnoop();
+        snoop_pkt->setCacheResponding();
+
+        // this express snoop travels towards the memory, and at
+        // every crossbar it is snooped upwards thus reaching
+        // every cache in the system
+        bool M5_VAR_USED success = memSidePort.sendTimingReq(snoop_pkt);
+        // express snoops always succeed
+        assert(success);
 
-            if (pkt->evictingBlock() ||
-                (pkt->req->isUncacheable() && pkt->isWrite())) {
-                // We use forward_time here because there is an
-                // uncached memory write, forwarded to WriteBuffer.
-                allocateWriteBuffer(pkt, forward_time);
-            } else {
-                if (blk && blk->isValid()) {
-                    // should have flushed and have no valid block
-                    assert(!pkt->req->isUncacheable());
-
-                    // If we have a write miss to a valid block, we
-                    // need to mark the block non-readable.  Otherwise
-                    // if we allow reads while there's an outstanding
-                    // write miss, the read could return stale data
-                    // out of the cache block... a more aggressive
-                    // system could detect the overlap (if any) and
-                    // forward data out of the MSHRs, but we don't do
-                    // that yet.  Note that we do need to leave the
-                    // block valid so that it stays in the cache, in
-                    // case we get an upgrade response (and hence no
-                    // new data) when the write miss completes.
-                    // As long as CPUs do proper store/load forwarding
-                    // internally, and have a sufficiently weak memory
-                    // model, this is probably unnecessary, but at some
-                    // point it must have seemed like we needed it...
-                    assert(pkt->needsExclusive());
-                    assert(!blk->isWritable());
-                    blk->status &= ~BlkReadable;
-                }
-                // Here we are using forward_time, modelling the latency of
-                // a miss (outbound) just as forwardLatency, neglecting the
-                // lookupLatency component.
-                allocateMissBuffer(pkt, forward_time);
-            }
+        // main memory will delete the snoop packet
 
-            if (prefetcher) {
-                // Don't notify on SWPrefetch
-                if (!pkt->cmd.isSWPrefetch())
-                    next_pf_time = prefetcher->notify(pkt);
-            }
-        }
-    }
+        // queue for deletion, as opposed to immediate deletion, as
+        // the sending cache is still relying on the packet
+        pendingDelete.reset(pkt);
 
-    if (next_pf_time != MaxTick)
-        schedMemSideSendEvent(next_pf_time);
+        // no need to take any further action in this particular cache
+        // as an upstram cache has already committed to responding,
+        // and we have already sent out any express snoops in the
+        // section above to ensure all other copies in the system are
+        // invalidated
+        return;
+    }
 
-    return true;
+    BaseCache::recvTimingReq(pkt);
 }
 
-
-// See comment in cache.hh.
 PacketPtr
-Cache::getBusPacket(PacketPtr cpu_pkt, CacheBlk *blk,
-                    bool needsExclusive) const
+Cache::createMissPacket(PacketPtr cpu_pkt, CacheBlk *blk,
+                        bool needsWritable,
+                        bool is_whole_line_write) const
 {
-    bool blkValid = blk && blk->isValid();
+    // should never see evictions here
+    assert(!cpu_pkt->isEviction());
 
-    if (cpu_pkt->req->isUncacheable()) {
-        // note that at the point we see the uncacheable request we
-        // flush any block, but there could be an outstanding MSHR,
-        // and the cache could have filled again before we actually
-        // send out the forwarded uncacheable request (blk could thus
-        // be non-null)
-        return NULL;
-    }
+    bool blkValid = blk && blk->isValid();
 
-    if (!blkValid &&
-        (cpu_pkt->isUpgrade() ||
-         cpu_pkt->evictingBlock())) {
-        // Writebacks that weren't allocated in access() and upgrades
-        // from upper-level caches that missed completely just go
-        // through.
-        return NULL;
+    if (cpu_pkt->req->isUncacheable() ||
+        (!blkValid && cpu_pkt->isUpgrade()) ||
+        cpu_pkt->cmd == MemCmd::InvalidateReq || cpu_pkt->isClean()) {
+        // uncacheable requests and upgrades from upper-level caches
+        // that missed completely just go through as is
+        return nullptr;
     }
 
     assert(cpu_pkt->needsResponse());
@@ -876,10 +502,17 @@ Cache::getBusPacket(PacketPtr cpu_pkt, CacheBlk *blk,
     // write miss on a shared owned block will generate a ReadExcl,
     // which will clobber the owned copy.
     const bool useUpgrades = true;
-    if (blkValid && useUpgrades) {
-        // only reason to be here is that blk is shared
-        // (read-only) and we need exclusive
-        assert(needsExclusive);
+    assert(cpu_pkt->cmd != MemCmd::WriteLineReq || is_whole_line_write);
+    if (is_whole_line_write) {
+        assert(!blkValid || !blk->isWritable());
+        // forward as invalidate to all other caches, this gives us
+        // the line in Exclusive state, and invalidates all other
+        // copies
+        cmd = MemCmd::InvalidateReq;
+    } else if (blkValid && useUpgrades) {
+        // only reason to be here is that blk is read only and we need
+        // it to be writable
+        assert(needsWritable);
         assert(!blk->isWritable());
         cmd = cpu_pkt->isLLSC() ? MemCmd::SCUpgradeReq : MemCmd::UpgradeReq;
     } else if (cpu_pkt->cmd == MemCmd::SCUpgradeFailReq ||
@@ -889,250 +522,159 @@ Cache::getBusPacket(PacketPtr cpu_pkt, CacheBlk *blk,
         // where the determination the StoreCond fails is delayed due to
         // all caches not being on the same local bus.
         cmd = MemCmd::SCUpgradeFailReq;
-    } else if (cpu_pkt->cmd == MemCmd::WriteLineReq) {
-        // forward as invalidate to all other caches, this gives us
-        // the line in exclusive state, and invalidates all other
-        // copies
-        cmd = MemCmd::InvalidateReq;
     } else {
         // block is invalid
-        cmd = needsExclusive ? MemCmd::ReadExReq :
-            (isReadOnly ? MemCmd::ReadCleanReq : MemCmd::ReadSharedReq);
+
+        // If the request does not need a writable there are two cases
+        // where we need to ensure the response will not fetch the
+        // block in dirty state:
+        // * this cache is read only and it does not perform
+        //   writebacks,
+        // * this cache is mostly exclusive and will not fill (since
+        //   it does not fill it will have to writeback the dirty data
+        //   immediately which generates uneccesary writebacks).
+        bool force_clean_rsp = isReadOnly || clusivity == Enums::mostly_excl;
+        cmd = needsWritable ? MemCmd::ReadExReq :
+            (force_clean_rsp ? MemCmd::ReadCleanReq : MemCmd::ReadSharedReq);
     }
     PacketPtr pkt = new Packet(cpu_pkt->req, cmd, blkSize);
 
-    // if there are sharers in the upper levels, pass that info downstream
-    if (cpu_pkt->sharedAsserted()) {
+    // if there are upstream caches that have already marked the
+    // packet as having sharers (not passing writable), pass that info
+    // downstream
+    if (cpu_pkt->hasSharers() && !needsWritable) {
         // note that cpu_pkt may have spent a considerable time in the
         // MSHR queue and that the information could possibly be out
         // of date, however, there is no harm in conservatively
-        // assuming the block is shared
-        pkt->assertShared();
-        DPRINTF(Cache, "%s passing shared from %s to %s addr %#llx size %d\n",
-                __func__, cpu_pkt->cmdString(), pkt->cmdString(),
-                pkt->getAddr(), pkt->getSize());
+        // assuming the block has sharers
+        pkt->setHasSharers();
+        DPRINTF(Cache, "%s: passing hasSharers from %s to %s\n",
+                __func__, cpu_pkt->print(), pkt->print());
     }
 
     // the packet should be block aligned
-    assert(pkt->getAddr() == blockAlign(pkt->getAddr()));
+    assert(pkt->getAddr() == pkt->getBlockAddr(blkSize));
 
     pkt->allocate();
-    DPRINTF(Cache, "%s created %s from %s for  addr %#llx size %d\n",
-            __func__, pkt->cmdString(), cpu_pkt->cmdString(), pkt->getAddr(),
-            pkt->getSize());
+    DPRINTF(Cache, "%s: created %s from %s\n", __func__, pkt->print(),
+            cpu_pkt->print());
     return pkt;
 }
 
 
-Tick
-Cache::recvAtomic(PacketPtr pkt)
+Cycles
+Cache::handleAtomicReqMiss(PacketPtr pkt, CacheBlk *&blk,
+                           PacketList &writebacks)
 {
-    // We are in atomic mode so we pay just for lookupLatency here.
-    Cycles lat = lookupLatency;
-    // @TODO: make this a parameter
-    bool last_level_cache = false;
-
-    // Forward the request if the system is in cache bypass mode.
-    if (system->bypassCaches())
-        return ticksToCycles(memSidePort->sendAtomic(pkt));
-
-    promoteWholeLineWrites(pkt);
+    // deal with the packets that go through the write path of
+    // the cache, i.e. any evictions and writes
+    if (pkt->isEviction() || pkt->cmd == MemCmd::WriteClean ||
+        (pkt->req->isUncacheable() && pkt->isWrite())) {
+        Cycles latency = ticksToCycles(memSidePort.sendAtomic(pkt));
 
-    if (pkt->memInhibitAsserted()) {
-        // have to invalidate ourselves and any lower caches even if
-        // upper cache will be responding
-        if (pkt->isInvalidate()) {
-            CacheBlk *blk = tags->findBlock(pkt->getAddr(), pkt->isSecure());
-            if (blk && blk->isValid()) {
-                tags->invalidate(blk);
-                blk->invalidate();
-                DPRINTF(Cache, "rcvd mem-inhibited %s on %#llx (%s):"
-                        " invalidating\n",
-                        pkt->cmdString(), pkt->getAddr(),
-                        pkt->isSecure() ? "s" : "ns");
-            }
-            if (!last_level_cache) {
-                DPRINTF(Cache, "forwarding mem-inhibited %s on %#llx (%s)\n",
-                        pkt->cmdString(), pkt->getAddr(),
-                        pkt->isSecure() ? "s" : "ns");
-                lat += ticksToCycles(memSidePort->sendAtomic(pkt));
-            }
-        } else {
-            DPRINTF(Cache, "rcvd mem-inhibited %s on %#llx: not responding\n",
-                    pkt->cmdString(), pkt->getAddr());
-        }
+        // at this point, if the request was an uncacheable write
+        // request, it has been satisfied by a memory below and the
+        // packet carries the response back
+        assert(!(pkt->req->isUncacheable() && pkt->isWrite()) ||
+               pkt->isResponse());
 
-        return lat * clockPeriod();
+        return latency;
     }
 
-    // should assert here that there are no outstanding MSHRs or
-    // writebacks... that would mean that someone used an atomic
-    // access in timing mode
+    // only misses left
 
-    CacheBlk *blk = NULL;
-    PacketList writebacks;
-    bool satisfied = access(pkt, blk, lat, writebacks);
+    PacketPtr bus_pkt = createMissPacket(pkt, blk, pkt->needsWritable(),
+                                         pkt->isWholeLineWrite(blkSize));
 
-    // handle writebacks resulting from the access here to ensure they
-    // logically proceed anything happening below
-    doWritebacksAtomic(writebacks);
+    bool is_forward = (bus_pkt == nullptr);
 
-    if (!satisfied) {
-        // MISS
-
-        PacketPtr bus_pkt = getBusPacket(pkt, blk, pkt->needsExclusive());
-
-        bool is_forward = (bus_pkt == NULL);
-
-        if (is_forward) {
-            // just forwarding the same request to the next level
-            // no local cache operation involved
-            bus_pkt = pkt;
-        }
+    if (is_forward) {
+        // just forwarding the same request to the next level
+        // no local cache operation involved
+        bus_pkt = pkt;
+    }
 
-        DPRINTF(Cache, "Sending an atomic %s for %#llx (%s)\n",
-                bus_pkt->cmdString(), bus_pkt->getAddr(),
-                bus_pkt->isSecure() ? "s" : "ns");
+    DPRINTF(Cache, "%s: Sending an atomic %s\n", __func__,
+            bus_pkt->print());
 
 #if TRACING_ON
-        CacheBlk::State old_state = blk ? blk->status : 0;
+    CacheBlk::State old_state = blk ? blk->status : 0;
 #endif
 
-        lat += ticksToCycles(memSidePort->sendAtomic(bus_pkt));
-
-        // We are now dealing with the response handling
-        DPRINTF(Cache, "Receive response: %s for addr %#llx (%s) in state %i\n",
-                bus_pkt->cmdString(), bus_pkt->getAddr(),
-                bus_pkt->isSecure() ? "s" : "ns",
-                old_state);
-
-        // If packet was a forward, the response (if any) is already
-        // in place in the bus_pkt == pkt structure, so we don't need
-        // to do anything.  Otherwise, use the separate bus_pkt to
-        // generate response to pkt and then delete it.
-        if (!is_forward) {
-            if (pkt->needsResponse()) {
-                assert(bus_pkt->isResponse());
-                if (bus_pkt->isError()) {
-                    pkt->makeAtomicResponse();
-                    pkt->copyError(bus_pkt);
-                } else if (pkt->cmd == MemCmd::InvalidateReq) {
-                    if (blk) {
-                        // invalidate response to a cache that received
-                        // an invalidate request
-                        satisfyCpuSideRequest(pkt, blk);
-                    }
-                } else if (pkt->cmd == MemCmd::WriteLineReq) {
-                    // note the use of pkt, not bus_pkt here.
-
-                    // write-line request to the cache that promoted
-                    // the write to a whole line
-                    blk = handleFill(pkt, blk, writebacks);
-                    satisfyCpuSideRequest(pkt, blk);
-                } else if (bus_pkt->isRead() ||
-                           bus_pkt->cmd == MemCmd::UpgradeResp) {
-                    // we're updating cache state to allow us to
-                    // satisfy the upstream request from the cache
-                    blk = handleFill(bus_pkt, blk, writebacks);
-                    satisfyCpuSideRequest(pkt, blk);
-                } else {
-                    // we're satisfying the upstream request without
-                    // modifying cache state, e.g., a write-through
-                    pkt->makeAtomicResponse();
-                }
+    Cycles latency = ticksToCycles(memSidePort.sendAtomic(bus_pkt));
+
+    bool is_invalidate = bus_pkt->isInvalidate();
+
+    // We are now dealing with the response handling
+    DPRINTF(Cache, "%s: Receive response: %s in state %i\n", __func__,
+            bus_pkt->print(), old_state);
+
+    // If packet was a forward, the response (if any) is already
+    // in place in the bus_pkt == pkt structure, so we don't need
+    // to do anything.  Otherwise, use the separate bus_pkt to
+    // generate response to pkt and then delete it.
+    if (!is_forward) {
+        if (pkt->needsResponse()) {
+            assert(bus_pkt->isResponse());
+            if (bus_pkt->isError()) {
+                pkt->makeAtomicResponse();
+                pkt->copyError(bus_pkt);
+            } else if (pkt->isWholeLineWrite(blkSize)) {
+                // note the use of pkt, not bus_pkt here.
+
+                // write-line request to the cache that promoted
+                // the write to a whole line
+                const bool allocate = allocOnFill(pkt->cmd) &&
+                    (!writeAllocator || writeAllocator->allocate());
+                blk = handleFill(bus_pkt, blk, writebacks, allocate);
+                assert(blk != NULL);
+                is_invalidate = false;
+                satisfyRequest(pkt, blk);
+            } else if (bus_pkt->isRead() ||
+                       bus_pkt->cmd == MemCmd::UpgradeResp) {
+                // we're updating cache state to allow us to
+                // satisfy the upstream request from the cache
+                blk = handleFill(bus_pkt, blk, writebacks,
+                                 allocOnFill(pkt->cmd));
+                satisfyRequest(pkt, blk);
+                maintainClusivity(pkt->fromCache(), blk);
+            } else {
+                // we're satisfying the upstream request without
+                // modifying cache state, e.g., a write-through
+                pkt->makeAtomicResponse();
             }
-            delete bus_pkt;
         }
+        delete bus_pkt;
     }
 
-    // Note that we don't invoke the prefetcher at all in atomic mode.
-    // It's not clear how to do it properly, particularly for
-    // prefetchers that aggressively generate prefetch candidates and
-    // rely on bandwidth contention to throttle them; these will tend
-    // to pollute the cache in atomic mode since there is no bandwidth
-    // contention.  If we ever do want to enable prefetching in atomic
-    // mode, though, this is the place to do it... see timingAccess()
-    // for an example (though we'd want to issue the prefetch(es)
-    // immediately rather than calling requestMemSideBus() as we do
-    // there).
-
-    // Handle writebacks (from the response handling) if needed
-    doWritebacksAtomic(writebacks);
-
-    if (pkt->needsResponse()) {
-        pkt->makeAtomicResponse();
+    if (is_invalidate && blk && blk->isValid()) {
+        invalidateBlock(blk);
     }
 
-    return lat * clockPeriod();
+    return latency;
 }
 
-
-void
-Cache::functionalAccess(PacketPtr pkt, bool fromCpuSide)
+Tick
+Cache::recvAtomic(PacketPtr pkt)
 {
-    if (system->bypassCaches()) {
-        // Packets from the memory side are snoop request and
-        // shouldn't happen in bypass mode.
-        assert(fromCpuSide);
-
-        // The cache should be flushed if we are in cache bypass mode,
-        // so we don't need to check if we need to update anything.
-        memSidePort->sendFunctional(pkt);
-        return;
-    }
-
-    Addr blk_addr = blockAlign(pkt->getAddr());
-    bool is_secure = pkt->isSecure();
-    CacheBlk *blk = tags->findBlock(pkt->getAddr(), is_secure);
-    MSHR *mshr = mshrQueue.findMatch(blk_addr, is_secure);
-
-    pkt->pushLabel(name());
-
-    CacheBlkPrintWrapper cbpw(blk);
-
-    // Note that just because an L2/L3 has valid data doesn't mean an
-    // L1 doesn't have a more up-to-date modified copy that still
-    // needs to be found.  As a result we always update the request if
-    // we have it, but only declare it satisfied if we are the owner.
-
-    // see if we have data at all (owned or otherwise)
-    bool have_data = blk && blk->isValid()
-        && pkt->checkFunctional(&cbpw, blk_addr, is_secure, blkSize,
-                                blk->data);
-
-    // data we have is dirty if marked as such or if valid & ownership
-    // pending due to outstanding UpgradeReq
-    bool have_dirty =
-        have_data && (blk->isDirty() ||
-                      (mshr && mshr->inService && mshr->isPendingDirty()));
-
-    bool done = have_dirty
-        || cpuSidePort->checkFunctional(pkt)
-        || mshrQueue.checkFunctional(pkt, blk_addr)
-        || writeBuffer.checkFunctional(pkt, blk_addr)
-        || memSidePort->checkFunctional(pkt);
+    promoteWholeLineWrites(pkt);
 
-    DPRINTF(Cache, "functional %s %#llx (%s) %s%s%s\n",
-            pkt->cmdString(), pkt->getAddr(), is_secure ? "s" : "ns",
-            (blk && blk->isValid()) ? "valid " : "",
-            have_data ? "data " : "", done ? "done " : "");
+    // follow the same flow as in recvTimingReq, and check if a cache
+    // above us is responding
+    if (pkt->cacheResponding()) {
+        assert(!pkt->req->isCacheInvalidate());
+        DPRINTF(Cache, "Cache above responding to %s: not responding\n",
+                pkt->print());
 
-    // We're leaving the cache, so pop cache->name() label
-    pkt->popLabel();
+        // if a cache is responding, and it had the line in Owned
+        // rather than Modified state, we need to invalidate any
+        // copies that are not on the same path to memory
+        assert(pkt->needsWritable() && !pkt->responderHadWritable());
 
-    if (done) {
-        pkt->makeResponse();
-    } else {
-        // if it came as a request from the CPU side then make sure it
-        // continues towards the memory side
-        if (fromCpuSide) {
-            memSidePort->sendFunctional(pkt);
-        } else if (forwardSnoops && cpuSidePort->isSnooping()) {
-            // if it came from the memory side, it must be a snoop request
-            // and we should only forward it if we are forwarding snoops
-            cpuSidePort->sendFunctionalSnoop(pkt);
-        }
+        return memSidePort.sendAtomic(pkt);
     }
+
+    return BaseCache::recvAtomic(pkt);
 }
 
 
@@ -1144,92 +686,22 @@ Cache::functionalAccess(PacketPtr pkt, bool fromCpuSide)
 
 
 void
-Cache::recvTimingResp(PacketPtr pkt)
+Cache::serviceMSHRTargets(MSHR *mshr, const PacketPtr pkt, CacheBlk *blk)
 {
-    assert(pkt->isResponse());
-
-    // all header delay should be paid for by the crossbar, unless
-    // this is a prefetch response from above
-    panic_if(pkt->headerDelay != 0 && pkt->cmd != MemCmd::HardPFResp,
-             "%s saw a non-zero packet delay\n", name());
-
-    MSHR *mshr = dynamic_cast<MSHR*>(pkt->senderState);
-    bool is_error = pkt->isError();
-
-    assert(mshr);
-
-    if (is_error) {
-        DPRINTF(Cache, "Cache received packet with error for addr %#llx (%s), "
-                "cmd: %s\n", pkt->getAddr(), pkt->isSecure() ? "s" : "ns",
-                pkt->cmdString());
-    }
-
-    DPRINTF(Cache, "Handling response %s for addr %#llx size %d (%s)\n",
-            pkt->cmdString(), pkt->getAddr(), pkt->getSize(),
-            pkt->isSecure() ? "s" : "ns");
-
-    MSHRQueue *mq = mshr->queue;
-    bool wasFull = mq->isFull();
-
-    if (mshr == noTargetMSHR) {
-        // we always clear at least one target
-        clearBlocked(Blocked_NoTargets);
-        noTargetMSHR = NULL;
-    }
-
-    // Initial target is used just for stats
-    MSHR::Target *initial_tgt = mshr->getTarget();
-    int stats_cmd_idx = initial_tgt->pkt->cmdToIndex();
-    Tick miss_latency = curTick() - initial_tgt->recvTime;
-    PacketList writebacks;
-    // We need forward_time here because we have a call of
-    // allocateWriteBuffer() that need this parameter to specify the
-    // time to request the bus.  In this case we use forward latency
-    // because there is a writeback.  We pay also here for headerDelay
-    // that is charged of bus latencies if the packet comes from the
-    // bus.
-    Tick forward_time = clockEdge(forwardLatency) + pkt->headerDelay;
-
-    if (pkt->req->isUncacheable()) {
-        assert(pkt->req->masterId() < system->maxMasters());
-        mshr_uncacheable_lat[stats_cmd_idx][pkt->req->masterId()] +=
-            miss_latency;
-    } else {
-        assert(pkt->req->masterId() < system->maxMasters());
-        mshr_miss_latency[stats_cmd_idx][pkt->req->masterId()] +=
-            miss_latency;
-    }
-
-    // upgrade deferred targets if we got exclusive
-    if (!pkt->sharedAsserted()) {
-        mshr->promoteExclusive();
-    }
-
-    bool is_fill = !mshr->isForward &&
-        (pkt->isRead() || pkt->cmd == MemCmd::UpgradeResp);
-
-    CacheBlk *blk = tags->findBlock(pkt->getAddr(), pkt->isSecure());
-
-    if (is_fill && !is_error) {
-        DPRINTF(Cache, "Block for addr %#llx being updated in Cache\n",
-                pkt->getAddr());
-
-        blk = handleFill(pkt, blk, writebacks);
-        assert(blk != NULL);
-    }
+    QueueEntry::Target *initial_tgt = mshr->getTarget();
+    // First offset for critical word first calculations
+    const int initial_offset = initial_tgt->pkt->getOffset(blkSize);
 
+    const bool is_error = pkt->isError();
     // allow invalidation responses originating from write-line
     // requests to be discarded
-    bool is_invalidate = pkt->isInvalidate();
-
-    // First offset for critical word first calculations
-    int initial_offset = initial_tgt->pkt->getOffset(blkSize);
+    bool is_invalidate = pkt->isInvalidate() &&
+        !mshr->wasWholeLineWrite;
 
-    while (mshr->hasTargets()) {
-        MSHR::Target *target = mshr->getTarget();
-        Packet *tgt_pkt = target->pkt;
-
-        switch (target->source) {
+    MSHR::TargetList targets = mshr->extractServiceableTargets(pkt);
+    for (auto &target: targets) {
+        Packet *tgt_pkt = target.pkt;
+        switch (target.source) {
           case MSHR::Target::FromCPU:
             Tick completion_time;
             // Here we charge on completion_time the delay of the xbar if the
@@ -1238,10 +710,36 @@ Cache::recvTimingResp(PacketPtr pkt)
 
             // Software prefetch handling for cache closest to core
             if (tgt_pkt->cmd.isSWPrefetch()) {
-                // a software prefetch would have already been ack'd immediately
-                // with dummy data so the core would be able to retire it.
-                // this request completes right here, so we deallocate it.
-                delete tgt_pkt->req;
+                if (tgt_pkt->needsWritable()) {
+                    // All other copies of the block were invalidated and we
+                    // have an exclusive copy.
+
+                    // The coherence protocol assumes that if we fetched an
+                    // exclusive copy of the block, we have the intention to
+                    // modify it. Therefore the MSHR for the PrefetchExReq has
+                    // been the point of ordering and this cache has commited
+                    // to respond to snoops for the block.
+                    //
+                    // In most cases this is true anyway - a PrefetchExReq
+                    // will be followed by a WriteReq. However, if that
+                    // doesn't happen, the block is not marked as dirty and
+                    // the cache doesn't respond to snoops that has committed
+                    // to do so.
+                    //
+                    // To avoid deadlocks in cases where there is a snoop
+                    // between the PrefetchExReq and the expected WriteReq, we
+                    // proactively mark the block as Dirty.
+                    assert(blk);
+                    blk->status |= BlkDirty;
+
+                    panic_if(isReadOnly, "Prefetch exclusive requests from "
+                            "read-only cache %s\n", name());
+                }
+
+                // a software prefetch would have already been ack'd
+                // immediately with dummy data so the core would be able to
+                // retire it. This request completes right here, so we
+                // deallocate it.
                 delete tgt_pkt;
                 break; // skip response
             }
@@ -1254,22 +752,19 @@ Cache::recvTimingResp(PacketPtr pkt)
             // from above.
             if (tgt_pkt->cmd == MemCmd::WriteLineReq) {
                 assert(!is_error);
-                // we got the block in exclusive state, so promote any
-                // deferred targets if possible
-                mshr->promoteExclusive();
-                // NB: we use the original packet here and not the response!
-                blk = handleFill(tgt_pkt, blk, writebacks);
-                assert(blk != NULL);
-
-                // treat as a fill, and discard the invalidation
-                // response
-                is_fill = true;
-                is_invalidate = false;
+                assert(blk);
+                assert(blk->isWritable());
             }
 
-            if (is_fill) {
-                satisfyCpuSideRequest(tgt_pkt, blk,
-                                      true, mshr->hasPostDowngrade());
+            // Here we decide whether we will satisfy the target using
+            // data from the block or from the response. We use the
+            // block data to satisfy the request when the block is
+            // present and valid and in addition the response in not
+            // forwarding data to the cache above (we didn't fill
+            // either); otherwise we use the packet data.
+            if (blk && blk->isValid() &&
+                (!mshr->isForward || !pkt->hasData())) {
+                satisfyRequest(tgt_pkt, blk, true, mshr->hasPostDowngrade());
 
                 // How many bytes past the first request is this one
                 int transfer_offset =
@@ -1288,8 +783,9 @@ Cache::recvTimingResp(PacketPtr pkt)
                 assert(!tgt_pkt->req->isUncacheable());
 
                 assert(tgt_pkt->req->masterId() < system->maxMasters());
-                missLatency[tgt_pkt->cmdToIndex()][tgt_pkt->req->masterId()] +=
-                    completion_time - target->recvTime;
+                stats.cmdStats(tgt_pkt)
+                    .missLatency[tgt_pkt->req->masterId()] +=
+                    completion_time - target.recvTime;
             } else if (pkt->cmd == MemCmd::UpgradeFailResp) {
                 // failed StoreCond upgrade
                 assert(tgt_pkt->cmd == MemCmd::StoreCondReq ||
@@ -1302,18 +798,44 @@ Cache::recvTimingResp(PacketPtr pkt)
                     pkt->payloadDelay;
                 tgt_pkt->req->setExtraData(0);
             } else {
+                if (is_invalidate && blk && blk->isValid()) {
+                    // We are about to send a response to a cache above
+                    // that asked for an invalidation; we need to
+                    // invalidate our copy immediately as the most
+                    // up-to-date copy of the block will now be in the
+                    // cache above. It will also prevent this cache from
+                    // responding (if the block was previously dirty) to
+                    // snoops as they should snoop the caches above where
+                    // they will get the response from.
+                    invalidateBlock(blk);
+                }
                 // not a cache fill, just forwarding response
                 // responseLatency is the latency of the return path
                 // from lower level cahces/memory to the core.
                 completion_time += clockEdge(responseLatency) +
                     pkt->payloadDelay;
-                if (pkt->isRead() && !is_error) {
-                    // sanity check
-                    assert(pkt->getAddr() == tgt_pkt->getAddr());
-                    assert(pkt->getSize() >= tgt_pkt->getSize());
+                if (!is_error) {
+                    if (pkt->isRead()) {
+                        // sanity check
+                        assert(pkt->matchAddr(tgt_pkt));
+                        assert(pkt->getSize() >= tgt_pkt->getSize());
 
-                    tgt_pkt->setData(pkt->getConstPtr<uint8_t>());
+                        tgt_pkt->setData(pkt->getConstPtr<uint8_t>());
+                    } else {
+                        // MSHR targets can read data either from the
+                        // block or the response pkt. If we can't get data
+                        // from the block (i.e., invalid or has old data)
+                        // or the response (did not bring in any data)
+                        // then make sure that the target didn't expect
+                        // any.
+                        assert(!tgt_pkt->hasRespData());
+                    }
                 }
+
+                // this response did not allocate here and therefore
+                // it was not consumed, make sure that any flags are
+                // carried over to cache above
+                tgt_pkt->copyResponderFlags(pkt);
             }
             tgt_pkt->makeTimingResponse();
             // if this packet is an error copy that to the new packet
@@ -1325,19 +847,18 @@ Cache::recvTimingResp(PacketPtr pkt)
                 // propagate that.  Response should not have
                 // isInvalidate() set otherwise.
                 tgt_pkt->cmd = MemCmd::ReadRespWithInvalidate;
-                DPRINTF(Cache, "%s updated cmd to %s for addr %#llx\n",
-                        __func__, tgt_pkt->cmdString(), tgt_pkt->getAddr());
+                DPRINTF(Cache, "%s: updated cmd to %s\n", __func__,
+                        tgt_pkt->print());
             }
             // Reset the bus additional time as it is now accounted for
             tgt_pkt->headerDelay = tgt_pkt->payloadDelay = 0;
-            cpuSidePort->schedTimingResp(tgt_pkt, completion_time);
+            cpuSidePort.schedTimingResp(tgt_pkt, completion_time);
             break;
 
           case MSHR::Target::FromPrefetcher:
             assert(tgt_pkt->cmd == MemCmd::HardPFReq);
             if (blk)
                 blk->status |= BlkHWPrefetched;
-            delete tgt_pkt->req;
             delete tgt_pkt;
             break;
 
@@ -1346,362 +867,73 @@ Cache::recvTimingResp(PacketPtr pkt)
             assert(!is_error);
             // response to snoop request
             DPRINTF(Cache, "processing deferred snoop...\n");
-            assert(!(is_invalidate && !mshr->hasPostInvalidate()));
+            // If the response is invalidating, a snooping target can
+            // be satisfied if it is also invalidating. If the reponse is, not
+            // only invalidating, but more specifically an InvalidateResp and
+            // the MSHR was created due to an InvalidateReq then a cache above
+            // is waiting to satisfy a WriteLineReq. In this case even an
+            // non-invalidating snoop is added as a target here since this is
+            // the ordering point. When the InvalidateResp reaches this cache,
+            // the snooping target will snoop further the cache above with the
+            // WriteLineReq.
+            assert(!is_invalidate || pkt->cmd == MemCmd::InvalidateResp ||
+                   pkt->req->isCacheMaintenance() ||
+                   mshr->hasPostInvalidate());
             handleSnoop(tgt_pkt, blk, true, true, mshr->hasPostInvalidate());
             break;
 
           default:
-            panic("Illegal target->source enum %d\n", target->source);
+            panic("Illegal target->source enum %d\n", target.source);
         }
-
-        mshr->popTarget();
     }
 
+    maintainClusivity(targets.hasFromCache, blk);
+
     if (blk && blk->isValid()) {
         // an invalidate response stemming from a write line request
         // should not invalidate the block, so check if the
         // invalidation should be discarded
         if (is_invalidate || mshr->hasPostInvalidate()) {
-            assert(blk != tempBlock);
-            tags->invalidate(blk);
-            blk->invalidate();
+            invalidateBlock(blk);
         } else if (mshr->hasPostDowngrade()) {
             blk->status &= ~BlkWritable;
         }
     }
-
-    if (mshr->promoteDeferredTargets()) {
-        // avoid later read getting stale data while write miss is
-        // outstanding.. see comment in timingAccess()
-        if (blk) {
-            blk->status &= ~BlkReadable;
-        }
-        mq = mshr->queue;
-        mq->markPending(mshr);
-        schedMemSideSendEvent(clockEdge() + pkt->payloadDelay);
-    } else {
-        mq->deallocate(mshr);
-        if (wasFull && !mq->isFull()) {
-            clearBlocked((BlockedCause)mq->index);
-        }
-
-        // Request the bus for a prefetch if this deallocation freed enough
-        // MSHRs for a prefetch to take place
-        if (prefetcher && mq == &mshrQueue && mshrQueue.canPrefetch()) {
-            Tick next_pf_time = std::max(prefetcher->nextPrefetchReadyTime(),
-                                         clockEdge());
-            if (next_pf_time != MaxTick)
-                schedMemSideSendEvent(next_pf_time);
-        }
-    }
-    // reset the xbar additional timinig  as it is now accounted for
-    pkt->headerDelay = pkt->payloadDelay = 0;
-
-    // copy writebacks to write buffer
-    doWritebacks(writebacks, forward_time);
-
-    // if we used temp block, check to see if its valid and then clear it out
-    if (blk == tempBlock && tempBlock->isValid()) {
-        // We use forwardLatency here because we are copying
-        // Writebacks/CleanEvicts to write buffer. It specifies the latency to
-        // allocate an internal buffer and to schedule an event to the
-        // queued port.
-        if (blk->isDirty()) {
-            PacketPtr wbPkt = writebackBlk(blk);
-            allocateWriteBuffer(wbPkt, forward_time);
-            // Set BLOCK_CACHED flag if cached above.
-            if (isCachedAbove(wbPkt))
-                wbPkt->setBlockCached();
-        } else {
-            PacketPtr wcPkt = cleanEvictBlk(blk);
-            // Check to see if block is cached above. If not allocate
-            // write buffer
-            if (isCachedAbove(wcPkt))
-                delete wcPkt;
-            else
-                allocateWriteBuffer(wcPkt, forward_time);
-        }
-        blk->invalidate();
-    }
-
-    DPRINTF(Cache, "Leaving %s with %s for addr %#llx\n", __func__,
-            pkt->cmdString(), pkt->getAddr());
-    delete pkt;
 }
 
 PacketPtr
-Cache::writebackBlk(CacheBlk *blk)
+Cache::evictBlock(CacheBlk *blk)
 {
-    chatty_assert(!isReadOnly, "Writeback from read-only cache");
-    assert(blk && blk->isValid() && blk->isDirty());
-
-    writebacks[Request::wbMasterId]++;
+    PacketPtr pkt = (blk->isDirty() || writebackClean) ?
+        writebackBlk(blk) : cleanEvictBlk(blk);
 
-    Request *writebackReq =
-        new Request(tags->regenerateBlkAddr(blk->tag, blk->set), blkSize, 0,
-                Request::wbMasterId);
-    if (blk->isSecure())
-        writebackReq->setFlags(Request::SECURE);
-
-    writebackReq->taskId(blk->task_id);
-    blk->task_id= ContextSwitchTaskId::Unknown;
-    blk->tickInserted = curTick();
+    invalidateBlock(blk);
 
-    PacketPtr writeback = new Packet(writebackReq, MemCmd::Writeback);
-    if (blk->isWritable()) {
-        // not asserting shared means we pass the block in modified
-        // state, mark our own block non-writeable
-        blk->status &= ~BlkWritable;
-    } else {
-        // we are in the owned state, tell the receiver
-        writeback->assertShared();
-    }
-
-    writeback->allocate();
-    std::memcpy(writeback->getPtr<uint8_t>(), blk->data, blkSize);
-
-    blk->status &= ~BlkDirty;
-    return writeback;
+    return pkt;
 }
 
 PacketPtr
 Cache::cleanEvictBlk(CacheBlk *blk)
 {
+    assert(!writebackClean);
     assert(blk && blk->isValid() && !blk->isDirty());
+
     // Creating a zero sized write, a message to the snoop filter
-    Request *req =
-        new Request(tags->regenerateBlkAddr(blk->tag, blk->set), blkSize, 0,
-                    Request::wbMasterId);
+    RequestPtr req = std::make_shared<Request>(
+        regenerateBlkAddr(blk), blkSize, 0, Request::wbMasterId);
+
     if (blk->isSecure())
         req->setFlags(Request::SECURE);
 
     req->taskId(blk->task_id);
-    blk->task_id = ContextSwitchTaskId::Unknown;
-    blk->tickInserted = curTick();
 
     PacketPtr pkt = new Packet(req, MemCmd::CleanEvict);
     pkt->allocate();
-    DPRINTF(Cache, "%s%s %x Create CleanEvict\n", pkt->cmdString(),
-            pkt->req->isInstFetch() ? " (ifetch)" : "",
-            pkt->getAddr());
+    DPRINTF(Cache, "Create CleanEvict %s\n", pkt->print());
 
     return pkt;
 }
 
-void
-Cache::memWriteback()
-{
-    CacheBlkVisitorWrapper visitor(*this, &Cache::writebackVisitor);
-    tags->forEachBlk(visitor);
-}
-
-void
-Cache::memInvalidate()
-{
-    CacheBlkVisitorWrapper visitor(*this, &Cache::invalidateVisitor);
-    tags->forEachBlk(visitor);
-}
-
-bool
-Cache::isDirty() const
-{
-    CacheBlkIsDirtyVisitor visitor;
-    tags->forEachBlk(visitor);
-
-    return visitor.isDirty();
-}
-
-bool
-Cache::writebackVisitor(CacheBlk &blk)
-{
-    if (blk.isDirty()) {
-        assert(blk.isValid());
-
-        Request request(tags->regenerateBlkAddr(blk.tag, blk.set),
-                        blkSize, 0, Request::funcMasterId);
-        request.taskId(blk.task_id);
-
-        Packet packet(&request, MemCmd::WriteReq);
-        packet.dataStatic(blk.data);
-
-        memSidePort->sendFunctional(&packet);
-
-        blk.status &= ~BlkDirty;
-    }
-
-    return true;
-}
-
-bool
-Cache::invalidateVisitor(CacheBlk &blk)
-{
-
-    if (blk.isDirty())
-        warn_once("Invalidating dirty cache lines. Expect things to break.\n");
-
-    if (blk.isValid()) {
-        assert(!blk.isDirty());
-        tags->invalidate(&blk);
-        blk.invalidate();
-    }
-
-    return true;
-}
-
-CacheBlk*
-Cache::allocateBlock(Addr addr, bool is_secure, PacketList &writebacks)
-{
-    CacheBlk *blk = tags->findVictim(addr);
-
-    // It is valid to return NULL if there is no victim
-    if (!blk)
-        return nullptr;
-
-    if (blk->isValid()) {
-        Addr repl_addr = tags->regenerateBlkAddr(blk->tag, blk->set);
-        MSHR *repl_mshr = mshrQueue.findMatch(repl_addr, blk->isSecure());
-        if (repl_mshr) {
-            // must be an outstanding upgrade request
-            // on a block we're about to replace...
-            assert(!blk->isWritable() || blk->isDirty());
-            assert(repl_mshr->needsExclusive());
-            // too hard to replace block with transient state
-            // allocation failed, block not inserted
-            return NULL;
-        } else {
-            DPRINTF(Cache, "replacement: replacing %#llx (%s) with %#llx (%s): %s\n",
-                    repl_addr, blk->isSecure() ? "s" : "ns",
-                    addr, is_secure ? "s" : "ns",
-                    blk->isDirty() ? "writeback" : "clean");
-
-            // Will send up Writeback/CleanEvict snoops via isCachedAbove
-            // when pushing this writeback list into the write buffer.
-            if (blk->isDirty()) {
-                // Save writeback packet for handling by caller
-                writebacks.push_back(writebackBlk(blk));
-            } else {
-                writebacks.push_back(cleanEvictBlk(blk));
-            }
-        }
-    }
-
-    return blk;
-}
-
-
-// Note that the reason we return a list of writebacks rather than
-// inserting them directly in the write buffer is that this function
-// is called by both atomic and timing-mode accesses, and in atomic
-// mode we don't mess with the write buffer (we just perform the
-// writebacks atomically once the original request is complete).
-CacheBlk*
-Cache::handleFill(PacketPtr pkt, CacheBlk *blk, PacketList &writebacks)
-{
-    assert(pkt->isResponse() || pkt->cmd == MemCmd::WriteLineReq);
-    Addr addr = pkt->getAddr();
-    bool is_secure = pkt->isSecure();
-#if TRACING_ON
-    CacheBlk::State old_state = blk ? blk->status : 0;
-#endif
-
-    // When handling a fill, discard any CleanEvicts for the
-    // same address in write buffer.
-    Addr M5_VAR_USED blk_addr = blockAlign(pkt->getAddr());
-    std::vector<MSHR *> M5_VAR_USED wbs;
-    assert (!writeBuffer.findMatches(blk_addr, is_secure, wbs));
-
-    if (blk == NULL) {
-        // better have read new data...
-        assert(pkt->hasData());
-
-        // only read responses and write-line requests have data;
-        // note that we don't write the data here for write-line - that
-        // happens in the subsequent satisfyCpuSideRequest.
-        assert(pkt->isRead() || pkt->cmd == MemCmd::WriteLineReq);
-
-        // need to do a replacement
-        blk = allocateBlock(addr, is_secure, writebacks);
-        if (blk == NULL) {
-            // No replaceable block... just use temporary storage to
-            // complete the current request and then get rid of it
-            assert(!tempBlock->isValid());
-            blk = tempBlock;
-            tempBlock->set = tags->extractSet(addr);
-            tempBlock->tag = tags->extractTag(addr);
-            // @todo: set security state as well...
-            DPRINTF(Cache, "using temp block for %#llx (%s)\n", addr,
-                    is_secure ? "s" : "ns");
-        } else {
-            tags->insertBlock(pkt, blk);
-        }
-
-        // we should never be overwriting a valid block
-        assert(!blk->isValid());
-    } else {
-        // existing block... probably an upgrade
-        assert(blk->tag == tags->extractTag(addr));
-        // either we're getting new data or the block should already be valid
-        assert(pkt->hasData() || blk->isValid());
-        // don't clear block status... if block is already dirty we
-        // don't want to lose that
-    }
-
-    if (is_secure)
-        blk->status |= BlkSecure;
-    blk->status |= BlkValid | BlkReadable;
-
-    // sanity check for whole-line writes, which should always be
-    // marked as writable as part of the fill, and then later marked
-    // dirty as part of satisfyCpuSideRequest
-    if (pkt->cmd == MemCmd::WriteLineReq) {
-        assert(!pkt->sharedAsserted());
-        // at the moment other caches do not respond to the
-        // invalidation requests corresponding to a whole-line write
-        assert(!pkt->memInhibitAsserted());
-    }
-
-    if (!pkt->sharedAsserted()) {
-        // we could get non-shared responses from memory (rather than
-        // a cache) even in a read-only cache, note that we set this
-        // bit even for a read-only cache as we use it to represent
-        // the exclusive state
-        blk->status |= BlkWritable;
-
-        // If we got this via cache-to-cache transfer (i.e., from a
-        // cache that was an owner) and took away that owner's copy,
-        // then we need to write it back.  Normally this happens
-        // anyway as a side effect of getting a copy to write it, but
-        // there are cases (such as failed store conditionals or
-        // compare-and-swaps) where we'll demand an exclusive copy but
-        // end up not writing it.
-        if (pkt->memInhibitAsserted()) {
-            blk->status |= BlkDirty;
-
-            chatty_assert(!isReadOnly, "Should never see dirty snoop response "
-                          "in read-only cache %s\n", name());
-        }
-    }
-
-    DPRINTF(Cache, "Block addr %#llx (%s) moving from state %x to %s\n",
-            addr, is_secure ? "s" : "ns", old_state, blk->print());
-
-    // if we got new data, copy it in (checking for a read response
-    // and a response that has data is the same in the end)
-    if (pkt->isRead()) {
-        // sanity checks
-        assert(pkt->hasData());
-        assert(pkt->getSize() == blkSize);
-
-        std::memcpy(blk->data, pkt->getConstPtr<uint8_t>(), blkSize);
-    }
-    // We pay for fillLatency here.
-    blk->whenReady = clockEdge() + fillLatency * clockPeriod() +
-        pkt->payloadDelay;
-
-    return blk;
-}
-
-
 /////////////////////////////////////////////////////
 //
 // Snoop path: requests coming in from the memory side
@@ -1716,8 +948,7 @@ Cache::doTimingSupplyResponse(PacketPtr req_pkt, const uint8_t *blk_data,
     assert(req_pkt->isRequest());
     assert(req_pkt->needsResponse());
 
-    DPRINTF(Cache, "%s for %s addr %#llx size %d\n", __func__,
-            req_pkt->cmdString(), req_pkt->getAddr(), req_pkt->getSize());
+    DPRINTF(Cache, "%s: for %s\n", __func__, req_pkt->print());
     // timing-mode snoop responses require a new packet, unless we
     // already made a copy...
     PacketPtr pkt = req_pkt;
@@ -1728,7 +959,7 @@ Cache::doTimingSupplyResponse(PacketPtr req_pkt, const uint8_t *blk_data,
         pkt = new Packet(req_pkt, false, req_pkt->isRead());
 
     assert(req_pkt->req->isUncacheable() || req_pkt->isInvalidate() ||
-           pkt->sharedAsserted());
+           pkt->hasSharers());
     pkt->makeTimingResponse();
     if (pkt->isRead()) {
         pkt->setDataFromBlock(blk_data, blkSize);
@@ -1736,11 +967,11 @@ Cache::doTimingSupplyResponse(PacketPtr req_pkt, const uint8_t *blk_data,
     if (pkt->cmd == MemCmd::ReadResp && pending_inval) {
         // Assume we defer a response to a read from a far-away cache
         // A, then later defer a ReadExcl from a cache B on the same
-        // bus as us.  We'll assert MemInhibit in both cases, but in
-        // the latter case MemInhibit will keep the invalidation from
-        // reaching cache A.  This special response tells cache A that
-        // it gets the block to satisfy its read, but must immediately
-        // invalidate it.
+        // bus as us. We'll assert cacheResponding in both cases, but
+        // in the latter case cacheResponding will keep the
+        // invalidation from reaching cache A. This special response
+        // tells cache A that it gets the block to satisfy its read,
+        // but must immediately invalidate it.
         pkt->cmd = MemCmd::ReadRespWithInvalidate;
     }
     // Here we consider forward_time, paying for just forward latency and
@@ -1749,18 +980,16 @@ Cache::doTimingSupplyResponse(PacketPtr req_pkt, const uint8_t *blk_data,
     Tick forward_time = clockEdge(forwardLatency) + pkt->headerDelay;
     // Here we reset the timing of the packet.
     pkt->headerDelay = pkt->payloadDelay = 0;
-    DPRINTF(Cache, "%s created response: %s addr %#llx size %d tick: %lu\n",
-            __func__, pkt->cmdString(), pkt->getAddr(), pkt->getSize(),
-            forward_time);
-    memSidePort->schedTimingSnoopResp(pkt, forward_time, true);
+    DPRINTF(CacheVerbose, "%s: created response: %s tick: %lu\n", __func__,
+            pkt->print(), forward_time);
+    memSidePort.schedTimingSnoopResp(pkt, forward_time);
 }
 
 uint32_t
 Cache::handleSnoop(PacketPtr pkt, CacheBlk *blk, bool is_timing,
                    bool is_deferred, bool pending_inval)
 {
-    DPRINTF(Cache, "%s for %s addr %#llx size %d\n", __func__,
-            pkt->cmdString(), pkt->getAddr(), pkt->getSize());
+    DPRINTF(CacheVerbose, "%s: for %s\n", __func__, pkt->print());
     // deferred snoops can only happen in timing mode
     assert(!(is_deferred && !is_timing));
     // pending_inval only makes sense on deferred snoops
@@ -1771,7 +1000,14 @@ Cache::handleSnoop(PacketPtr pkt, CacheBlk *blk, bool is_timing,
     // responds in atomic mode, so remember a few things about the
     // original packet up front
     bool invalidate = pkt->isInvalidate();
-    bool M5_VAR_USED needs_exclusive = pkt->needsExclusive();
+    bool M5_VAR_USED needs_writable = pkt->needsWritable();
+
+    // at the moment we could get an uncacheable write which does not
+    // have the invalidate flag, and we need a suitable way of dealing
+    // with this case
+    panic_if(invalidate && pkt->req->isUncacheable(),
+             "%s got an invalidating uncacheable snoop request %s",
+             name(), pkt->print());
 
     uint32_t snoop_delay = 0;
 
@@ -1779,7 +1015,6 @@ Cache::handleSnoop(PacketPtr pkt, CacheBlk *blk, bool is_timing,
         // first propagate snoop upward to see if anyone above us wants to
         // handle it.  save & restore packet src since it will get
         // rewritten to be relative to cpu-side bus (if any)
-        bool alreadyResponded = pkt->memInhibitAsserted();
         if (is_timing) {
             // copy the packet so that we can clear any flags before
             // forwarding it upwards, we also allocate data (passing
@@ -1787,38 +1022,35 @@ Cache::handleSnoop(PacketPtr pkt, CacheBlk *blk, bool is_timing,
             // there is a snoop hit in upper levels
             Packet snoopPkt(pkt, true, true);
             snoopPkt.setExpressSnoop();
-            snoopPkt.pushSenderState(new ForwardResponseRecord());
             // the snoop packet does not need to wait any additional
             // time
             snoopPkt.headerDelay = snoopPkt.payloadDelay = 0;
-            cpuSidePort->sendTimingSnoopReq(&snoopPkt);
+            cpuSidePort.sendTimingSnoopReq(&snoopPkt);
 
             // add the header delay (including crossbar and snoop
             // delays) of the upward snoop to the snoop delay for this
             // cache
             snoop_delay += snoopPkt.headerDelay;
 
-            if (snoopPkt.memInhibitAsserted()) {
-                // cache-to-cache response from some upper cache
-                assert(!alreadyResponded);
-                pkt->assertMemInhibit();
-            } else {
-                // no cache (or anyone else for that matter) will
-                // respond, so delete the ForwardResponseRecord here
-                delete snoopPkt.popSenderState();
-            }
-            if (snoopPkt.sharedAsserted()) {
-                pkt->assertShared();
-            }
             // If this request is a prefetch or clean evict and an upper level
             // signals block present, make sure to propagate the block
             // presence to the requester.
             if (snoopPkt.isBlockCached()) {
                 pkt->setBlockCached();
             }
+            // If the request was satisfied by snooping the cache
+            // above, mark the original packet as satisfied too.
+            if (snoopPkt.satisfied()) {
+                pkt->setSatisfied();
+            }
+
+            // Copy over flags from the snoop response to make sure we
+            // inform the final destination
+            pkt->copyResponderFlags(&snoopPkt);
         } else {
-            cpuSidePort->sendAtomicSnoop(pkt);
-            if (!alreadyResponded && pkt->memInhibitAsserted()) {
+            bool already_responded = pkt->cacheResponding();
+            cpuSidePort.sendAtomicSnoop(pkt);
+            if (!already_responded && pkt->cacheResponding()) {
                 // cache-to-cache response from some upper cache:
                 // forward response to original requester
                 assert(pkt->isResponse());
@@ -1826,98 +1058,142 @@ Cache::handleSnoop(PacketPtr pkt, CacheBlk *blk, bool is_timing,
         }
     }
 
-    if (!blk || !blk->isValid()) {
-        DPRINTF(Cache, "%s snoop miss for %s addr %#llx size %d\n",
-                __func__, pkt->cmdString(), pkt->getAddr(), pkt->getSize());
+    bool respond = false;
+    bool blk_valid = blk && blk->isValid();
+    if (pkt->isClean()) {
+        if (blk_valid && blk->isDirty()) {
+            DPRINTF(CacheVerbose, "%s: packet (snoop) %s found block: %s\n",
+                    __func__, pkt->print(), blk->print());
+            PacketPtr wb_pkt = writecleanBlk(blk, pkt->req->getDest(), pkt->id);
+            PacketList writebacks;
+            writebacks.push_back(wb_pkt);
+
+            if (is_timing) {
+                // anything that is merely forwarded pays for the forward
+                // latency and the delay provided by the crossbar
+                Tick forward_time = clockEdge(forwardLatency) +
+                    pkt->headerDelay;
+                doWritebacks(writebacks, forward_time);
+            } else {
+                doWritebacksAtomic(writebacks);
+            }
+            pkt->setSatisfied();
+        }
+    } else if (!blk_valid) {
+        DPRINTF(CacheVerbose, "%s: snoop miss for %s\n", __func__,
+                pkt->print());
+        if (is_deferred) {
+            // we no longer have the block, and will not respond, but a
+            // packet was allocated in MSHR::handleSnoop and we have
+            // to delete it
+            assert(pkt->needsResponse());
+
+            // we have passed the block to a cache upstream, that
+            // cache should be responding
+            assert(pkt->cacheResponding());
+
+            delete pkt;
+        }
         return snoop_delay;
     } else {
-       DPRINTF(Cache, "%s snoop hit for %s for addr %#llx size %d, "
-               "old state is %s\n", __func__, pkt->cmdString(),
-               pkt->getAddr(), pkt->getSize(), blk->print());
-    }
+        DPRINTF(Cache, "%s: snoop hit for %s, old state is %s\n", __func__,
+                pkt->print(), blk->print());
 
-    chatty_assert(!(isReadOnly && blk->isDirty()),
-                  "Should never have a dirty block in a read-only cache %s\n",
-                  name());
+        // We may end up modifying both the block state and the packet (if
+        // we respond in atomic mode), so just figure out what to do now
+        // and then do it later. We respond to all snoops that need
+        // responses provided we have the block in dirty state. The
+        // invalidation itself is taken care of below. We don't respond to
+        // cache maintenance operations as this is done by the destination
+        // xbar.
+        respond = blk->isDirty() && pkt->needsResponse();
 
-    // We may end up modifying both the block state and the packet (if
-    // we respond in atomic mode), so just figure out what to do now
-    // and then do it later. If we find dirty data while snooping for
-    // an invalidate, we don't need to send a response. The
-    // invalidation itself is taken care of below.
-    bool respond = blk->isDirty() && pkt->needsResponse() &&
-        pkt->cmd != MemCmd::InvalidateReq;
-    bool have_exclusive = blk->isWritable();
+        chatty_assert(!(isReadOnly && blk->isDirty()), "Should never have "
+                      "a dirty block in a read-only cache %s\n", name());
+    }
 
     // Invalidate any prefetch's from below that would strip write permissions
     // MemCmd::HardPFReq is only observed by upstream caches.  After missing
     // above and in it's own cache, a new MemCmd::ReadReq is created that
     // downstream caches observe.
     if (pkt->mustCheckAbove()) {
-        DPRINTF(Cache, "Found addr %#llx in upper level cache for snoop %s from"
-                " lower cache\n", pkt->getAddr(), pkt->cmdString());
+        DPRINTF(Cache, "Found addr %#llx in upper level cache for snoop %s "
+                "from lower cache\n", pkt->getAddr(), pkt->print());
         pkt->setBlockCached();
         return snoop_delay;
     }
 
-    if (!pkt->req->isUncacheable() && pkt->isRead() && !invalidate) {
-        // reading non-exclusive shared data, note that we retain
-        // the block in owned state if it is dirty, with the response
-        // taken care of below, and otherwhise simply downgrade to
-        // shared
-        assert(!needs_exclusive);
-        pkt->assertShared();
-        blk->status &= ~BlkWritable;
+    if (pkt->isRead() && !invalidate) {
+        // reading without requiring the line in a writable state
+        assert(!needs_writable);
+        pkt->setHasSharers();
+
+        // if the requesting packet is uncacheable, retain the line in
+        // the current state, otherwhise unset the writable flag,
+        // which means we go from Modified to Owned (and will respond
+        // below), remain in Owned (and will respond below), from
+        // Exclusive to Shared, or remain in Shared
+        if (!pkt->req->isUncacheable())
+            blk->status &= ~BlkWritable;
+        DPRINTF(Cache, "new state is %s\n", blk->print());
     }
 
     if (respond) {
         // prevent anyone else from responding, cache as well as
         // memory, and also prevent any memory from even seeing the
-        // request (with current inhibited semantics), note that this
-        // applies both to reads and writes and that for writes it
-        // works thanks to the fact that we still have dirty data and
-        // will write it back at a later point
-        pkt->assertMemInhibit();
-        if (have_exclusive) {
+        // request
+        pkt->setCacheResponding();
+        if (!pkt->isClean() && blk->isWritable()) {
+            // inform the cache hierarchy that this cache had the line
+            // in the Modified state so that we avoid unnecessary
+            // invalidations (see Packet::setResponderHadWritable)
+            pkt->setResponderHadWritable();
+
             // in the case of an uncacheable request there is no point
-            // in setting the exclusive flag, but since the recipient
-            // does not care there is no harm in doing so, in any case
-            // it is just a hint
-            pkt->setSupplyExclusive();
+            // in setting the responderHadWritable flag, but since the
+            // recipient does not care there is no harm in doing so
+        } else {
+            // if the packet has needsWritable set we invalidate our
+            // copy below and all other copies will be invalidates
+            // through express snoops, and if needsWritable is not set
+            // we already called setHasSharers above
         }
+
+        // if we are returning a writable and dirty (Modified) line,
+        // we should be invalidating the line
+        panic_if(!invalidate && !pkt->hasSharers(),
+                 "%s is passing a Modified line through %s, "
+                 "but keeping the block", name(), pkt->print());
+
         if (is_timing) {
             doTimingSupplyResponse(pkt, blk->data, is_deferred, pending_inval);
         } else {
             pkt->makeAtomicResponse();
-            pkt->setDataFromBlock(blk->data, blkSize);
+            // packets such as upgrades do not actually have any data
+            // payload
+            if (pkt->hasData())
+                pkt->setDataFromBlock(blk->data, blkSize);
         }
-    }
 
-    if (!respond && is_timing && is_deferred) {
-        // if it's a deferred timing snoop then we've made a copy of
-        // both the request and the packet, and so if we're not using
-        // those copies to respond and delete them here
-        DPRINTF(Cache, "Deleting pkt %p and request %p for cmd %s addr: %p\n",
-                pkt, pkt->req, pkt->cmdString(), pkt->getAddr());
+        // When a block is compressed, it must first be decompressed before
+        // being read, and this increases the snoop delay.
+        if (compressor && pkt->isRead()) {
+            snoop_delay += compressor->getDecompressionLatency(blk);
+        }
+    }
 
-        // the packets needs a response (just not from us), so we also
-        // need to delete the request and not rely on the packet
-        // destructor
+    if (!respond && is_deferred) {
         assert(pkt->needsResponse());
-        delete pkt->req;
         delete pkt;
     }
 
     // Do this last in case it deallocates block data or something
     // like that
-    if (invalidate) {
-        if (blk != tempBlock)
-            tags->invalidate(blk);
-        blk->invalidate();
+    if (blk_valid && invalidate) {
+        invalidateBlock(blk);
+        DPRINTF(Cache, "new state is %s\n", blk->print());
     }
 
-    DPRINTF(Cache, "new state is %s\n", blk->print());
-
     return snoop_delay;
 }
 
@@ -1925,11 +1201,7 @@ Cache::handleSnoop(PacketPtr pkt, CacheBlk *blk, bool is_timing,
 void
 Cache::recvTimingSnoopReq(PacketPtr pkt)
 {
-    DPRINTF(Cache, "%s for %s addr %#llx size %d\n", __func__,
-            pkt->cmdString(), pkt->getAddr(), pkt->getSize());
-
-    // Snoops shouldn't happen when bypassing caches
-    assert(!system->bypassCaches());
+    DPRINTF(CacheVerbose, "%s: for %s\n", __func__, pkt->print());
 
     // no need to snoop requests that are not in range
     if (!inRange(pkt->getAddr())) {
@@ -1939,7 +1211,7 @@ Cache::recvTimingSnoopReq(PacketPtr pkt)
     bool is_secure = pkt->isSecure();
     CacheBlk *blk = tags->findBlock(pkt->getAddr(), is_secure);
 
-    Addr blk_addr = blockAlign(pkt->getAddr());
+    Addr blk_addr = pkt->getBlockAddr(blkSize);
     MSHR *mshr = mshrQueue.findMatch(blk_addr, is_secure);
 
     // Update the latency cost of the snoop so that the crossbar can
@@ -1953,9 +1225,8 @@ Cache::recvTimingSnoopReq(PacketPtr pkt)
     // Inform request(Prefetch, CleanEvict or Writeback) from below of
     // MSHR hit, set setBlockCached.
     if (mshr && pkt->mustCheckAbove()) {
-        DPRINTF(Cache, "Setting block cached for %s from"
-                "lower cache on mshr hit %#x\n",
-                pkt->cmdString(), pkt->getAddr());
+        DPRINTF(Cache, "Setting block cached for %s from lower cache on "
+                "mshr hit\n", pkt->print());
         pkt->setBlockCached();
         return;
     }
@@ -1973,15 +1244,10 @@ Cache::recvTimingSnoopReq(PacketPtr pkt)
     }
 
     //We also need to check the writeback buffers and handle those
-    std::vector<MSHR *> writebacks;
-    if (writeBuffer.findMatches(blk_addr, is_secure, writebacks)) {
+    WriteQueueEntry *wb_entry = writeBuffer.findMatch(blk_addr, is_secure);
+    if (wb_entry) {
         DPRINTF(Cache, "Snoop hit in writeback to addr %#llx (%s)\n",
                 pkt->getAddr(), is_secure ? "s" : "ns");
-
-        // Look through writebacks for any cachable writes.
-        // We should only ever find a single match
-        assert(writebacks.size() == 1);
-        MSHR *wb_entry = writebacks[0];
         // Expect to see only Writebacks and/or CleanEvicts here, both of
         // which should not be generated for uncacheable data.
         assert(!wb_entry->isUncacheable());
@@ -1989,55 +1255,50 @@ Cache::recvTimingSnoopReq(PacketPtr pkt)
         // Writebacks/CleanEvicts.
         assert(wb_entry->getNumTargets() == 1);
         PacketPtr wb_pkt = wb_entry->getTarget()->pkt;
-        assert(wb_pkt->evictingBlock());
+        assert(wb_pkt->isEviction() || wb_pkt->cmd == MemCmd::WriteClean);
 
-        if (pkt->evictingBlock()) {
+        if (pkt->isEviction()) {
             // if the block is found in the write queue, set the BLOCK_CACHED
             // flag for Writeback/CleanEvict snoop. On return the snoop will
             // propagate the BLOCK_CACHED flag in Writeback packets and prevent
             // any CleanEvicts from travelling down the memory hierarchy.
             pkt->setBlockCached();
-            DPRINTF(Cache, "Squashing %s from lower cache on writequeue hit"
-                    " %#x\n", pkt->cmdString(), pkt->getAddr());
+            DPRINTF(Cache, "%s: Squashing %s from lower cache on writequeue "
+                    "hit\n", __func__, pkt->print());
             return;
         }
 
-        if (wb_pkt->cmd == MemCmd::Writeback) {
-            assert(!pkt->memInhibitAsserted());
-            pkt->assertMemInhibit();
-            if (!pkt->needsExclusive()) {
-                pkt->assertShared();
-                // the writeback is no longer passing exclusivity (the
-                // receiving cache should consider the block owned
-                // rather than modified)
-                wb_pkt->assertShared();
-            } else {
-                // if we're not asserting the shared line, we need to
-                // invalidate our copy.  we'll do that below as long as
-                // the packet's invalidate flag is set...
-                assert(pkt->isInvalidate());
+        // conceptually writebacks are no different to other blocks in
+        // this cache, so the behaviour is modelled after handleSnoop,
+        // the difference being that instead of querying the block
+        // state to determine if it is dirty and writable, we use the
+        // command and fields of the writeback packet
+        bool respond = wb_pkt->cmd == MemCmd::WritebackDirty &&
+            pkt->needsResponse();
+        bool have_writable = !wb_pkt->hasSharers();
+        bool invalidate = pkt->isInvalidate();
+
+        if (!pkt->req->isUncacheable() && pkt->isRead() && !invalidate) {
+            assert(!pkt->needsWritable());
+            pkt->setHasSharers();
+            wb_pkt->setHasSharers();
+        }
+
+        if (respond) {
+            pkt->setCacheResponding();
+
+            if (have_writable) {
+                pkt->setResponderHadWritable();
             }
+
             doTimingSupplyResponse(pkt, wb_pkt->getConstPtr<uint8_t>(),
                                    false, false);
-        } else {
-            assert(wb_pkt->cmd == MemCmd::CleanEvict);
-            // The cache technically holds the block until the
-            // corresponding CleanEvict message reaches the crossbar
-            // below. Therefore when a snoop encounters a CleanEvict
-            // message we must set assertShared (just like when it
-            // encounters a Writeback) to avoid the snoop filter
-            // prematurely clearing the holder bit in the crossbar
-            // below
-            if (!pkt->needsExclusive())
-                pkt->assertShared();
-            else
-                assert(pkt->isInvalidate());
         }
 
-        if (pkt->isInvalidate()) {
+        if (invalidate && wb_pkt->cmd != MemCmd::WriteClean) {
             // Invalidation trumps our writeback... discard here
             // Note: markInService will remove entry from writeback buffer.
-            markInService(wb_entry, false);
+            markInService(wb_entry);
             delete wb_pkt;
         }
     }
@@ -2055,20 +1316,9 @@ Cache::recvTimingSnoopReq(PacketPtr pkt)
                                          lookupLatency * clockPeriod());
 }
 
-bool
-Cache::CpuSidePort::recvTimingSnoopResp(PacketPtr pkt)
-{
-    // Express snoop responses from master to slave, e.g., from L1 to L2
-    cache->recvTimingSnoopResp(pkt);
-    return true;
-}
-
 Tick
 Cache::recvAtomicSnoop(PacketPtr pkt)
 {
-    // Snoops shouldn't happen when bypassing caches
-    assert(!system->bypassCaches());
-
     // no need to snoop requests that are not in range.
     if (!inRange(pkt->getAddr())) {
         return 0;
@@ -2079,94 +1329,8 @@ Cache::recvAtomicSnoop(PacketPtr pkt)
     return snoop_delay + lookupLatency * clockPeriod();
 }
 
-
-MSHR *
-Cache::getNextMSHR()
-{
-    // Check both MSHR queue and write buffer for potential requests,
-    // note that null does not mean there is no request, it could
-    // simply be that it is not ready
-    MSHR *miss_mshr  = mshrQueue.getNextMSHR();
-    MSHR *write_mshr = writeBuffer.getNextMSHR();
-
-    // If we got a write buffer request ready, first priority is a
-    // full write buffer, otherwhise we favour the miss requests
-    if (write_mshr &&
-        ((writeBuffer.isFull() && writeBuffer.inServiceEntries == 0) ||
-         !miss_mshr)) {
-        // need to search MSHR queue for conflicting earlier miss.
-        MSHR *conflict_mshr =
-            mshrQueue.findPending(write_mshr->blkAddr,
-                                  write_mshr->isSecure);
-
-        if (conflict_mshr && conflict_mshr->order < write_mshr->order) {
-            // Service misses in order until conflict is cleared.
-            return conflict_mshr;
-
-            // @todo Note that we ignore the ready time of the conflict here
-        }
-
-        // No conflicts; issue write
-        return write_mshr;
-    } else if (miss_mshr) {
-        // need to check for conflicting earlier writeback
-        MSHR *conflict_mshr =
-            writeBuffer.findPending(miss_mshr->blkAddr,
-                                    miss_mshr->isSecure);
-        if (conflict_mshr) {
-            // not sure why we don't check order here... it was in the
-            // original code but commented out.
-
-            // The only way this happens is if we are
-            // doing a write and we didn't have permissions
-            // then subsequently saw a writeback (owned got evicted)
-            // We need to make sure to perform the writeback first
-            // To preserve the dirty data, then we can issue the write
-
-            // should we return write_mshr here instead?  I.e. do we
-            // have to flush writes in order?  I don't think so... not
-            // for Alpha anyway.  Maybe for x86?
-            return conflict_mshr;
-
-            // @todo Note that we ignore the ready time of the conflict here
-        }
-
-        // No conflicts; issue read
-        return miss_mshr;
-    }
-
-    // fall through... no pending requests.  Try a prefetch.
-    assert(!miss_mshr && !write_mshr);
-    if (prefetcher && mshrQueue.canPrefetch()) {
-        // If we have a miss queue slot, we can try a prefetch
-        PacketPtr pkt = prefetcher->getPacket();
-        if (pkt) {
-            Addr pf_addr = blockAlign(pkt->getAddr());
-            if (!tags->findBlock(pf_addr, pkt->isSecure()) &&
-                !mshrQueue.findMatch(pf_addr, pkt->isSecure()) &&
-                !writeBuffer.findMatch(pf_addr, pkt->isSecure())) {
-                // Update statistic on number of prefetches issued
-                // (hwpf_mshr_misses)
-                assert(pkt->req->masterId() < system->maxMasters());
-                mshr_misses[pkt->cmdToIndex()][pkt->req->masterId()]++;
-
-                // allocate an MSHR and return it, note
-                // that we send the packet straight away, so do not
-                // schedule the send
-                return allocateMissBuffer(pkt, curTick(), false);
-            } else {
-                // free the request and packet
-                delete pkt->req;
-                delete pkt;
-            }
-        }
-    }
-
-    return NULL;
-}
-
 bool
-Cache::isCachedAbove(PacketPtr pkt, bool is_timing) const
+Cache::isCachedAbove(PacketPtr pkt, bool is_timing)
 {
     if (!forwardSnoops)
         return false;
@@ -2181,37 +1345,33 @@ Cache::isCachedAbove(PacketPtr pkt, bool is_timing) const
         // Assert that packet is either Writeback or CleanEvict and not a
         // prefetch request because prefetch requests need an MSHR and may
         // generate a snoop response.
-        assert(pkt->evictingBlock());
-        snoop_pkt.senderState = NULL;
-        cpuSidePort->sendTimingSnoopReq(&snoop_pkt);
+        assert(pkt->isEviction() || pkt->cmd == MemCmd::WriteClean);
+        snoop_pkt.senderState = nullptr;
+        cpuSidePort.sendTimingSnoopReq(&snoop_pkt);
         // Writeback/CleanEvict snoops do not generate a snoop response.
-        assert(!(snoop_pkt.memInhibitAsserted()));
+        assert(!(snoop_pkt.cacheResponding()));
         return snoop_pkt.isBlockCached();
     } else {
-        cpuSidePort->sendAtomicSnoop(pkt);
+        cpuSidePort.sendAtomicSnoop(pkt);
         return pkt->isBlockCached();
     }
 }
 
-PacketPtr
-Cache::getTimingPacket()
+bool
+Cache::sendMSHRQueuePacket(MSHR* mshr)
 {
-    MSHR *mshr = getNextMSHR();
-
-    if (mshr == NULL) {
-        return NULL;
-    }
+    assert(mshr);
 
     // use request from 1st target
     PacketPtr tgt_pkt = mshr->getTarget()->pkt;
-    PacketPtr pkt = NULL;
 
-    DPRINTF(CachePort, "%s %s for addr %#llx size %d\n", __func__,
-            tgt_pkt->cmdString(), tgt_pkt->getAddr(), tgt_pkt->getSize());
+    if (tgt_pkt->cmd == MemCmd::HardPFReq && forwardSnoops) {
+        DPRINTF(Cache, "%s: MSHR %s\n", __func__, tgt_pkt->print());
 
-    CacheBlk *blk = tags->findBlock(mshr->blkAddr, mshr->isSecure);
+        // we should never have hardware prefetches to allocated
+        // blocks
+        assert(!tags->findBlock(mshr->blkAddr, mshr->isSecure));
 
-    if (tgt_pkt->cmd == MemCmd::HardPFReq && forwardSnoops) {
         // We need to check the caches above us to verify that
         // they don't have a copy of this block in the dirty state
         // at the moment. Without this check we could get a stale
@@ -2219,8 +1379,12 @@ Cache::getTimingPacket()
         // dirty one.
         Packet snoop_pkt(tgt_pkt, true, false);
         snoop_pkt.setExpressSnoop();
+        // We are sending this packet upwards, but if it hits we will
+        // get a snoop response that we end up treating just like a
+        // normal response, hence it needs the MSHR as its sender
+        // state
         snoop_pkt.senderState = mshr;
-        cpuSidePort->sendTimingSnoopReq(&snoop_pkt);
+        cpuSidePort.sendTimingSnoopReq(&snoop_pkt);
 
         // Check to see if the prefetch was squashed by an upper cache (to
         // prevent us from grabbing the line) or if a Check to see if a
@@ -2228,310 +1392,54 @@ Cache::getTimingPacket()
         // the MSHRs and when it was selected to be sent or if the
         // prefetch was squashed by an upper cache.
 
-        // It is important to check memInhibitAsserted before
-        // prefetchSquashed. If another cache has asserted MEM_INGIBIT, it
-        // will be sending a response which will arrive at the MSHR
-        // allocated ofr this request. Checking the prefetchSquash first
-        // may result in the MSHR being prematurely deallocated.
+        // It is important to check cacheResponding before
+        // prefetchSquashed. If another cache has committed to
+        // responding, it will be sending a dirty response which will
+        // arrive at the MSHR allocated for this request. Checking the
+        // prefetchSquash first may result in the MSHR being
+        // prematurely deallocated.
+        if (snoop_pkt.cacheResponding()) {
+            auto M5_VAR_USED r = outstandingSnoop.insert(snoop_pkt.req);
+            assert(r.second);
+
+            // if we are getting a snoop response with no sharers it
+            // will be allocated as Modified
+            bool pending_modified_resp = !snoop_pkt.hasSharers();
+            markInService(mshr, pending_modified_resp);
 
-        if (snoop_pkt.memInhibitAsserted()) {
-            // If we are getting a non-shared response it is dirty
-            bool pending_dirty_resp = !snoop_pkt.sharedAsserted();
-            markInService(mshr, pending_dirty_resp);
             DPRINTF(Cache, "Upward snoop of prefetch for addr"
                     " %#x (%s) hit\n",
                     tgt_pkt->getAddr(), tgt_pkt->isSecure()? "s": "ns");
-            return NULL;
+            return false;
         }
 
-        if (snoop_pkt.isBlockCached() || blk != NULL) {
+        if (snoop_pkt.isBlockCached()) {
             DPRINTF(Cache, "Block present, prefetch squashed by cache.  "
                     "Deallocating mshr target %#x.\n",
                     mshr->blkAddr);
 
             // Deallocate the mshr target
-            if (tgt_pkt->cmd != MemCmd::Writeback) {
-                if (mshr->queue->forceDeallocateTarget(mshr)) {
-                    // Clear block if this deallocation resulted freed an
-                    // mshr when all had previously been utilized
-                    clearBlocked((BlockedCause)(mshr->queue->index));
-                }
-                return NULL;
-            } else {
-                // If this is a Writeback, and the snoops indicate that the blk
-                // is cached above, set the BLOCK_CACHED flag in the Writeback
-                // packet, so that it does not reset the bits corresponding to
-                // this block in the snoop filter below.
-                tgt_pkt->setBlockCached();
+            if (mshrQueue.forceDeallocateTarget(mshr)) {
+                // Clear block if this deallocation resulted freed an
+                // mshr when all had previously been utilized
+                clearBlocked(Blocked_NoMSHRs);
             }
-        }
-    }
-
-    if (mshr->isForwardNoResponse()) {
-        // no response expected, just forward packet as it is
-        assert(tags->findBlock(mshr->blkAddr, mshr->isSecure) == NULL);
-        pkt = tgt_pkt;
-    } else {
-        pkt = getBusPacket(tgt_pkt, blk, mshr->needsExclusive());
 
-        mshr->isForward = (pkt == NULL);
+            // given that no response is expected, delete Request and Packet
+            delete tgt_pkt;
 
-        if (mshr->isForward) {
-            // not a cache block request, but a response is expected
-            // make copy of current packet to forward, keep current
-            // copy for response handling
-            pkt = new Packet(tgt_pkt, false, true);
-            if (pkt->isWrite()) {
-                pkt->setData(tgt_pkt->getConstPtr<uint8_t>());
-            }
+            return false;
         }
     }
 
-    assert(pkt != NULL);
-    pkt->senderState = mshr;
-    return pkt;
-}
-
-
-Tick
-Cache::nextMSHRReadyTime() const
-{
-    Tick nextReady = std::min(mshrQueue.nextMSHRReadyTime(),
-                              writeBuffer.nextMSHRReadyTime());
-
-    // Don't signal prefetch ready time if no MSHRs available
-    // Will signal once enoguh MSHRs are deallocated
-    if (prefetcher && mshrQueue.canPrefetch()) {
-        nextReady = std::min(nextReady,
-                             prefetcher->nextPrefetchReadyTime());
-    }
-
-    return nextReady;
-}
-
-void
-Cache::serialize(CheckpointOut &cp) const
-{
-    bool dirty(isDirty());
-
-    if (dirty) {
-        warn("*** The cache still contains dirty data. ***\n");
-        warn("    Make sure to drain the system using the correct flags.\n");
-        warn("    This checkpoint will not restore correctly and dirty data in "
-             "the cache will be lost!\n");
-    }
-
-    // Since we don't checkpoint the data in the cache, any dirty data
-    // will be lost when restoring from a checkpoint of a system that
-    // wasn't drained properly. Flag the checkpoint as invalid if the
-    // cache contains dirty data.
-    bool bad_checkpoint(dirty);
-    SERIALIZE_SCALAR(bad_checkpoint);
-}
-
-void
-Cache::unserialize(CheckpointIn &cp)
-{
-    bool bad_checkpoint;
-    UNSERIALIZE_SCALAR(bad_checkpoint);
-    if (bad_checkpoint) {
-        fatal("Restoring from checkpoints with dirty caches is not supported "
-              "in the classic memory system. Please remove any caches or "
-              " drain them properly before taking checkpoints.\n");
-    }
-}
-
-///////////////
-//
-// CpuSidePort
-//
-///////////////
-
-AddrRangeList
-Cache::CpuSidePort::getAddrRanges() const
-{
-    return cache->getAddrRanges();
-}
-
-bool
-Cache::CpuSidePort::recvTimingReq(PacketPtr pkt)
-{
-    assert(!cache->system->bypassCaches());
-
-    bool success = false;
-
-    // always let inhibited requests through, even if blocked,
-    // ultimately we should check if this is an express snoop, but at
-    // the moment that flag is only set in the cache itself
-    if (pkt->memInhibitAsserted()) {
-        // do not change the current retry state
-        bool M5_VAR_USED bypass_success = cache->recvTimingReq(pkt);
-        assert(bypass_success);
-        return true;
-    } else if (blocked || mustSendRetry) {
-        // either already committed to send a retry, or blocked
-        success = false;
-    } else {
-        // pass it on to the cache, and let the cache decide if we
-        // have to retry or not
-        success = cache->recvTimingReq(pkt);
-    }
-
-    // remember if we have to retry
-    mustSendRetry = !success;
-    return success;
-}
-
-Tick
-Cache::CpuSidePort::recvAtomic(PacketPtr pkt)
-{
-    return cache->recvAtomic(pkt);
-}
-
-void
-Cache::CpuSidePort::recvFunctional(PacketPtr pkt)
-{
-    // functional request
-    cache->functionalAccess(pkt, true);
-}
-
-Cache::
-CpuSidePort::CpuSidePort(const std::string &_name, Cache *_cache,
-                         const std::string &_label)
-    : BaseCache::CacheSlavePort(_name, _cache, _label), cache(_cache)
-{
+    return BaseCache::sendMSHRQueuePacket(mshr);
 }
 
 Cache*
 CacheParams::create()
 {
     assert(tags);
+    assert(replacement_policy);
 
     return new Cache(this);
 }
-///////////////
-//
-// MemSidePort
-//
-///////////////
-
-bool
-Cache::MemSidePort::recvTimingResp(PacketPtr pkt)
-{
-    cache->recvTimingResp(pkt);
-    return true;
-}
-
-// Express snooping requests to memside port
-void
-Cache::MemSidePort::recvTimingSnoopReq(PacketPtr pkt)
-{
-    // handle snooping requests
-    cache->recvTimingSnoopReq(pkt);
-}
-
-Tick
-Cache::MemSidePort::recvAtomicSnoop(PacketPtr pkt)
-{
-    return cache->recvAtomicSnoop(pkt);
-}
-
-void
-Cache::MemSidePort::recvFunctionalSnoop(PacketPtr pkt)
-{
-    // functional snoop (note that in contrast to atomic we don't have
-    // a specific functionalSnoop method, as they have the same
-    // behaviour regardless)
-    cache->functionalAccess(pkt, false);
-}
-
-void
-Cache::CacheReqPacketQueue::sendDeferredPacket()
-{
-    // sanity check
-    assert(!waitingOnRetry);
-
-    // there should never be any deferred request packets in the
-    // queue, instead we resly on the cache to provide the packets
-    // from the MSHR queue or write queue
-    assert(deferredPacketReadyTime() == MaxTick);
-
-    // check for request packets (requests & writebacks)
-    PacketPtr pkt = cache.getTimingPacket();
-    if (pkt == NULL) {
-        // can happen if e.g. we attempt a writeback and fail, but
-        // before the retry, the writeback is eliminated because
-        // we snoop another cache's ReadEx.
-    } else {
-        MSHR *mshr = dynamic_cast<MSHR*>(pkt->senderState);
-        // in most cases getTimingPacket allocates a new packet, and
-        // we must delete it unless it is successfully sent
-        bool delete_pkt = !mshr->isForwardNoResponse();
-
-        // let our snoop responses go first if there are responses to
-        // the same addresses we are about to writeback, note that
-        // this creates a dependency between requests and snoop
-        // responses, but that should not be a problem since there is
-        // a chain already and the key is that the snoop responses can
-        // sink unconditionally
-        if (snoopRespQueue.hasAddr(pkt->getAddr())) {
-            DPRINTF(CachePort, "Waiting for snoop response to be sent\n");
-            Tick when = snoopRespQueue.deferredPacketReadyTime();
-            schedSendEvent(when);
-
-            if (delete_pkt)
-                delete pkt;
-
-            return;
-        }
-
-
-        waitingOnRetry = !masterPort.sendTimingReq(pkt);
-
-        if (waitingOnRetry) {
-            DPRINTF(CachePort, "now waiting on a retry\n");
-            if (delete_pkt) {
-                // we are awaiting a retry, but we
-                // delete the packet and will be creating a new packet
-                // when we get the opportunity
-                delete pkt;
-            }
-            // note that we have now masked any requestBus and
-            // schedSendEvent (we will wait for a retry before
-            // doing anything), and this is so even if we do not
-            // care about this packet and might override it before
-            // it gets retried
-        } else {
-            // As part of the call to sendTimingReq the packet is
-            // forwarded to all neighbouring caches (and any
-            // caches above them) as a snoop. The packet is also
-            // sent to any potential cache below as the
-            // interconnect is not allowed to buffer the
-            // packet. Thus at this point we know if any of the
-            // neighbouring, or the downstream cache is
-            // responding, and if so, if it is with a dirty line
-            // or not.
-            bool pending_dirty_resp = !pkt->sharedAsserted() &&
-                pkt->memInhibitAsserted();
-
-            cache.markInService(mshr, pending_dirty_resp);
-        }
-    }
-
-    // if we succeeded and are not waiting for a retry, schedule the
-    // next send considering when the next MSHR is ready, note that
-    // snoop responses have their own packet queue and thus schedule
-    // their own events
-    if (!waitingOnRetry) {
-        schedSendEvent(cache.nextMSHRReadyTime());
-    }
-}
-
-Cache::
-MemSidePort::MemSidePort(const std::string &_name, Cache *_cache,
-                         const std::string &_label)
-    : BaseCache::CacheMasterPort(_name, _cache, _reqQueue, _snoopRespQueue),
-      _reqQueue(*_cache, *this, _snoopRespQueue, _label),
-      _snoopRespQueue(*_cache, *this, _label), cache(_cache)
-{
-}