misc: Standardize the way create() constructs SimObjects.
[gem5.git] / src / mem / cache / cache_blk.hh
index a75c9611de0737c7ec38eecd3cd82d9b53652ade..c16e59980abf05675ffb2f131d038fdb1f817941 100644 (file)
@@ -1,4 +1,17 @@
 /*
+ * Copyright (c) 2012-2018 ARM Limited
+ * All rights reserved.
+ *
+ * The license below extends only to copyright in the software and shall
+ * not be construed as granting a license to any other intellectual
+ * property including but not limited to intellectual property relating
+ * to a hardware implementation of the functionality of the software
+ * licensed hereunder.  You may use the software subject to the license
+ * terms below provided that you ensure that this notice is replicated
+ * unmodified and in its entirety in all distributions of the software,
+ * modified or unmodified, in source code or in binary form.
+ *
+ * Copyright (c) 2020 Inria
  * Copyright (c) 2003-2005 The Regents of The University of Michigan
  * All rights reserved.
  *
  * THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT
  * (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE
  * OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
- *
- * Authors: Erik Hallnor
  */
 
 /** @file
  * Definitions of a simple cache block class.
  */
 
-#ifndef __CACHE_BLK_HH__
-#define __CACHE_BLK_HH__
+#ifndef __MEM_CACHE_CACHE_BLK_HH__
+#define __MEM_CACHE_CACHE_BLK_HH__
 
-#include "sim/root.hh"         // for Tick
-#include "arch/isa_traits.hh"  // for Addr
+#include <cassert>
+#include <cstdint>
+#include <iosfwd>
+#include <list>
+#include <string>
 
-#include <iostream>
-
-/**
- * Cache block status bit assignments
- */
-enum CacheBlkStatusBits {
-    /** valid, readable */
-    BlkValid =         0x01,
-    /** write permission */
-    BlkWritable =      0x02,
-    /** dirty (modified) */
-    BlkDirty =         0x04,
-    /** compressed */
-    BlkCompressed =    0x08,
-    /** block was referenced */
-    BlkReferenced =    0x10,
-    /** block was a hardware prefetch yet unaccessed*/
-    BlkHWPrefetched =  0x20
-};
+#include "base/printable.hh"
+#include "base/types.hh"
+#include "mem/cache/tags/tagged_entry.hh"
+#include "mem/packet.hh"
+#include "mem/request.hh"
+#include "sim/core.hh"
 
 /**
  * A Basic Cache block.
- * Contains the tag, status, and a pointer to data.
+ * Contains information regarding its coherence, prefetching status, as
+ * well as a pointer to its data.
  */
-class CacheBlk
+class CacheBlk : public TaggedEntry
 {
   public:
-    /** The address space ID of this block. */
-    int asid;
-    /** Data block tag value. */
-    Addr tag;
+    /**
+     * Cache block's enum listing the supported coherence bits. The valid
+     * bit is not defined here because it is part of a TaggedEntry.
+     */
+    enum CoherenceBits : unsigned
+    {
+        /** write permission */
+        WritableBit =       0x02,
+        /**
+         * Read permission. Note that a block can be valid but not readable
+         * if there is an outstanding write upgrade miss.
+         */
+        ReadableBit =       0x04,
+        /** dirty (modified) */
+        DirtyBit =          0x08,
+
+        /**
+         * Helper enum value that includes all other bits. Whenever a new
+         * bits is added, this should be updated.
+         */
+        AllBits  =          0x0E,
+    };
+
     /**
      * Contains a copy of the data in this block for easy access. This is used
      * for efficient execution when the data could be actually stored in
@@ -77,124 +98,429 @@ class CacheBlk
      * referenced by this block.
      */
     uint8_t *data;
-    /** the number of bytes stored in this block. */
-    int size;
 
-    /** block state: OR of CacheBlkStatusBit */
-    typedef unsigned State;
+    /**
+     * Which curTick() will this block be accessible. Its value is only
+     * meaningful if the block is valid.
+     */
+    Tick whenReady;
+
+  protected:
+    /**
+     * Represents that the indicated thread context has a "lock" on
+     * the block, in the LL/SC sense.
+     */
+    class Lock {
+      public:
+        ContextID contextId;     // locking context
+        Addr lowAddr;      // low address of lock range
+        Addr highAddr;     // high address of lock range
 
-    /** The current status of this block. @sa CacheBlockStatusBits */
-    State status;
+        // check for matching execution context, and an address that
+        // is within the lock
+        bool matches(const RequestPtr &req) const
+        {
+            Addr req_low = req->getPaddr();
+            Addr req_high = req_low + req->getSize() -1;
+            return (contextId == req->contextId()) &&
+                   (req_low >= lowAddr) && (req_high <= highAddr);
+        }
 
-    /** Which curTick will this block be accessable */
-    Tick whenReady;
+        // check if a request is intersecting and thus invalidating the lock
+        bool intersects(const RequestPtr &req) const
+        {
+            Addr req_low = req->getPaddr();
+            Addr req_high = req_low + req->getSize() - 1;
+
+            return (req_low <= highAddr) && (req_high >= lowAddr);
+        }
+
+        Lock(const RequestPtr &req)
+            : contextId(req->contextId()),
+              lowAddr(req->getPaddr()),
+              highAddr(lowAddr + req->getSize() - 1)
+        {
+        }
+    };
+
+    /** List of thread contexts that have performed a load-locked (LL)
+     * on the block since the last store. */
+    std::list<Lock> lockList;
+
+  public:
+    CacheBlk() : TaggedEntry(), data(nullptr), _tickInserted(0)
+    {
+        invalidate();
+    }
+
+    CacheBlk(const CacheBlk&) = delete;
+    CacheBlk& operator=(const CacheBlk&) = delete;
+    virtual ~CacheBlk() {};
 
     /**
-     * The set this block belongs to.
-     * @todo Move this into subclasses when we fix CacheTags to use them.
+     * Invalidate the block and clear all state.
      */
-    int set;
+    virtual void invalidate()
+    {
+        TaggedEntry::invalidate();
 
-    /** Number of references to this block since it was brought in. */
-    int refCount;
+        clearPrefetched();
+        clearCoherenceBits(AllBits);
 
-    CacheBlk()
-        : asid(-1), tag(0), data(0) ,size(0), status(0), whenReady(0),
-          set(-1), refCount(0)
-    {}
+        setTaskId(ContextSwitchTaskId::Unknown);
+        whenReady = MaxTick;
+        setRefCount(0);
+        setSrcRequestorId(Request::invldRequestorId);
+        lockList.clear();
+    }
 
     /**
-     * Copy the state of the given block into this one.
-     * @param rhs The block to copy.
-     * @return a const reference to this block.
+     * Sets the corresponding coherence bits.
+     *
+     * @param bits The coherence bits to be set.
      */
-    const CacheBlk& operator=(const CacheBlk& rhs)
+    void
+    setCoherenceBits(unsigned bits)
     {
-        asid = rhs.asid;
-        tag = rhs.tag;
-        data = rhs.data;
-        size = rhs.size;
-        status = rhs.status;
-        whenReady = rhs.whenReady;
-        set = rhs.set;
-        refCount = rhs.refCount;
-        return *this;
+        assert(isValid());
+        coherence |= bits;
     }
 
     /**
-     * Checks the write permissions of this block.
-     * @return True if the block is writable.
+     * Clear the corresponding coherence bits.
+     *
+     * @param bits The coherence bits to be cleared.
      */
-    bool isWritable() const
+    void clearCoherenceBits(unsigned bits) { coherence &= ~bits; }
+
+    /**
+     * Checks the given coherence bits are set.
+     *
+     * @return True if the block is readable.
+     */
+    bool
+    isSet(unsigned bits) const
     {
-        const int needed_bits = BlkWritable | BlkValid;
-        return (status & needed_bits) == needed_bits;
+        return isValid() && (coherence & bits);
     }
 
     /**
-     * Checks that a block is valid (readable).
-     * @return True if the block is valid.
+     * Check if this block was the result of a hardware prefetch, yet to
+     * be touched.
+     * @return True if the block was a hardware prefetch, unaccesed.
+     */
+    bool wasPrefetched() const { return _prefetched; }
+
+    /**
+     * Clear the prefetching bit. Either because it was recently used, or due
+     * to the block being invalidated.
      */
-    bool isValid() const
+    void clearPrefetched() { _prefetched = false; }
+
+    /** Marks this blocks as a recently prefetched block. */
+    void setPrefetched() { _prefetched = false; }
+
+    /**
+     * Get tick at which block's data will be available for access.
+     *
+     * @return Data ready tick.
+     */
+    Tick getWhenReady() const
     {
-        return (status & BlkValid) != 0;
+        assert(whenReady != MaxTick);
+        return whenReady;
     }
 
     /**
-     * Check to see if a block has been written.
-     * @return True if the block is dirty.
+     * Set tick at which block's data will be available for access. The new
+     * tick must be chronologically sequential with respect to previous
+     * accesses.
+     *
+     * @param tick New data ready tick.
      */
-    bool isModified() const
+    void setWhenReady(const Tick tick)
     {
-        return (status & BlkDirty) != 0;
+        assert(tick >= _tickInserted);
+        whenReady = tick;
     }
 
+    /** Get the task id associated to this block. */
+    uint32_t getTaskId() const { return _taskId; }
+
+    /** Get the requestor id associated to this block. */
+    uint32_t getSrcRequestorId() const { return _srcRequestorId; }
+
+    /** Get the number of references to this block since insertion. */
+    unsigned getRefCount() const { return _refCount; }
+
+    /** Get the number of references to this block since insertion. */
+    void increaseRefCount() { _refCount++; }
+
     /**
-     * Check to see if this block contains compressed data.
-     * @return True iF the block's data is compressed.
+     * Get the block's age, that is, the number of ticks since its insertion.
+     *
+     * @return The block's age.
      */
-    bool isCompressed() const
+    Tick
+    getAge() const
     {
-        return (status & BlkCompressed) != 0;
+        assert(_tickInserted <= curTick());
+        return curTick() - _tickInserted;
     }
 
     /**
-     * Check if this block has been referenced.
-     * @return True if the block has been referenced.
+     * Set member variables when a block insertion occurs. Resets reference
+     * count to 1 (the insertion counts as a reference), and touch block if
+     * it hadn't been touched previously. Sets the insertion tick to the
+     * current tick. Marks the block valid.
+     *
+     * @param tag Block address tag.
+     * @param is_secure Whether the block is in secure space or not.
+     * @param src_requestor_ID The source requestor ID.
+     * @param task_ID The new task ID.
      */
-    bool isReferenced() const
+    void insert(const Addr tag, const bool is_secure,
+        const int src_requestor_ID, const uint32_t task_ID);
+    using TaggedEntry::insert;
+
+    /**
+     * Track the fact that a local locked was issued to the
+     * block. Invalidate any previous LL to the same address.
+     */
+    void trackLoadLocked(PacketPtr pkt)
     {
-        return (status & BlkReferenced) != 0;
+        assert(pkt->isLLSC());
+        auto l = lockList.begin();
+        while (l != lockList.end()) {
+            if (l->intersects(pkt->req))
+                l = lockList.erase(l);
+            else
+                ++l;
+        }
+
+        lockList.emplace_front(pkt->req);
     }
 
     /**
-     * Check if this block was the result of a hardware prefetch, yet to
-     * be touched.
-     * @return True if the block was a hardware prefetch, unaccesed.
+     * Clear the any load lock that intersect the request, and is from
+     * a different context.
      */
-    bool isPrefetch() const
+    void clearLoadLocks(const RequestPtr &req)
     {
-        return (status & BlkHWPrefetched) != 0;
+        auto l = lockList.begin();
+        while (l != lockList.end()) {
+            if (l->intersects(req) && l->contextId != req->contextId()) {
+                l = lockList.erase(l);
+            } else {
+                ++l;
+            }
+        }
     }
 
+    /**
+     * Pretty-print tag, set and way, and interpret state bits to readable form
+     * including mapping to a MOESI state.
+     *
+     * @return string with basic state information
+     */
+    std::string
+    print() const override
+    {
+        /**
+         *  state       M   O   E   S   I
+         *  writable    1   0   1   0   0
+         *  dirty       1   1   0   0   0
+         *  valid       1   1   1   1   0
+         *
+         *  state   writable    dirty   valid
+         *  M       1           1       1
+         *  O       0           1       1
+         *  E       1           0       1
+         *  S       0           0       1
+         *  I       0           0       0
+         *
+         * Note that only one cache ever has a block in Modified or
+         * Owned state, i.e., only one cache owns the block, or
+         * equivalently has the DirtyBit bit set. However, multiple
+         * caches on the same path to memory can have a block in the
+         * Exclusive state (despite the name). Exclusive means this
+         * cache has the only copy at this level of the hierarchy,
+         * i.e., there may be copies in caches above this cache (in
+         * various states), but there are no peers that have copies on
+         * this branch of the hierarchy, and no caches at or above
+         * this level on any other branch have copies either.
+         **/
+        unsigned state =
+            isSet(WritableBit) << 2 | isSet(DirtyBit) << 1 | isValid();
+        char s = '?';
+        switch (state) {
+          case 0b111: s = 'M'; break;
+          case 0b011: s = 'O'; break;
+          case 0b101: s = 'E'; break;
+          case 0b001: s = 'S'; break;
+          case 0b000: s = 'I'; break;
+          default:    s = 'T'; break; // @TODO add other types
+        }
+        return csprintf("state: %x (%c) writable: %d readable: %d "
+            "dirty: %d | %s", coherence, s, isSet(WritableBit),
+            isSet(ReadableBit), isSet(DirtyBit), TaggedEntry::print());
+    }
+
+    /**
+     * Handle interaction of load-locked operations and stores.
+     * @return True if write should proceed, false otherwise.  Returns
+     * false only in the case of a failed store conditional.
+     */
+    bool checkWrite(PacketPtr pkt)
+    {
+        assert(pkt->isWrite());
+
+        // common case
+        if (!pkt->isLLSC() && lockList.empty())
+            return true;
+
+        const RequestPtr &req = pkt->req;
+
+        if (pkt->isLLSC()) {
+            // it's a store conditional... have to check for matching
+            // load locked.
+            bool success = false;
+
+            auto l = lockList.begin();
+            while (!success && l != lockList.end()) {
+                if (l->matches(pkt->req)) {
+                    // it's a store conditional, and as far as the
+                    // memory system can tell, the requesting
+                    // context's lock is still valid.
+                    success = true;
+                    lockList.erase(l);
+                } else {
+                    ++l;
+                }
+            }
+
+            req->setExtraData(success ? 1 : 0);
+            // clear any intersected locks from other contexts (our LL
+            // should already have cleared them)
+            clearLoadLocks(req);
+            return success;
+        } else {
+            // a normal write, if there is any lock not from this
+            // context we clear the list, thus for a private cache we
+            // never clear locks on normal writes
+            clearLoadLocks(req);
+            return true;
+        }
+    }
 
+  protected:
+    /** The current coherence status of this block. @sa CoherenceBits */
+    unsigned coherence;
+
+    // The following setters have been marked as protected because their
+    // respective variables should only be modified at 2 moments:
+    // invalidation and insertion. Because of that, they shall only be
+    // called by the functions that perform those actions.
+
+    /** Set the task id value. */
+    void setTaskId(const uint32_t task_id) { _taskId = task_id; }
+
+    /** Set the source requestor id. */
+    void setSrcRequestorId(const uint32_t id) { _srcRequestorId = id; }
+
+    /** Set the number of references to this block since insertion. */
+    void setRefCount(const unsigned count) { _refCount = count; }
+
+    /** Set the current tick as this block's insertion tick. */
+    void setTickInserted() { _tickInserted = curTick(); }
+
+  private:
+    /** Task Id associated with this block */
+    uint32_t _taskId;
+
+    /** holds the source requestor ID for this block. */
+    int _srcRequestorId;
+
+    /** Number of references to this block since it was brought in. */
+    unsigned _refCount;
+
+    /**
+     * Tick on which the block was inserted in the cache. Its value is only
+     * meaningful if the block is valid.
+     */
+    Tick _tickInserted;
+
+    /** Whether this block is an unaccessed hardware prefetch. */
+    bool _prefetched;
 };
 
 /**
- * Output a CacheBlk to the given ostream.
- * @param out The stream for the output.
- * @param blk The cache block to print.
- *
- * @return The output stream.
+ * Special instance of CacheBlk for use with tempBlk that deals with its
+ * block address regeneration.
+ * @sa Cache
  */
-inline std::ostream &
-operator<<(std::ostream &out, const CacheBlk &blk)
+class TempCacheBlk final : public CacheBlk
 {
-    out << std::hex << std::endl;
-    out << "  Tag: " << blk.tag << std::endl;
-    out << "  Status: " <<  blk.status << std::endl;
+  private:
+    /**
+     * Copy of the block's address, used to regenerate tempBlock's address.
+     */
+    Addr _addr;
+
+  public:
+    /**
+     * Creates a temporary cache block, with its own storage.
+     * @param size The size (in bytes) of this cache block.
+     */
+    TempCacheBlk(unsigned size) : CacheBlk()
+    {
+        data = new uint8_t[size];
+    }
+    TempCacheBlk(const TempCacheBlk&) = delete;
+    TempCacheBlk& operator=(const TempCacheBlk&) = delete;
+    ~TempCacheBlk() { delete [] data; };
+
+    /**
+     * Invalidate the block and clear all state.
+     */
+    void invalidate() override {
+        CacheBlk::invalidate();
 
-    return(out << std::dec);
-}
+        _addr = MaxAddr;
+    }
+
+    void
+    insert(const Addr addr, const bool is_secure) override
+    {
+        CacheBlk::insert(addr, is_secure);
+        _addr = addr;
+    }
+
+    /**
+     * Get block's address.
+     *
+     * @return addr Address value.
+     */
+    Addr getAddr() const
+    {
+        return _addr;
+    }
+};
+
+/**
+ * Simple class to provide virtual print() method on cache blocks
+ * without allocating a vtable pointer for every single cache block.
+ * Just wrap the CacheBlk object in an instance of this before passing
+ * to a function that requires a Printable object.
+ */
+class CacheBlkPrintWrapper : public Printable
+{
+    CacheBlk *blk;
+  public:
+    CacheBlkPrintWrapper(CacheBlk *_blk) : blk(_blk) {}
+    virtual ~CacheBlkPrintWrapper() {}
+    void print(std::ostream &o, int verbosity = 0,
+               const std::string &prefix = "") const;
+};
 
-#endif //__CACHE_BLK_HH__
+#endif //__MEM_CACHE_CACHE_BLK_HH__