mem-cache: Implement a multi compressor
[gem5.git] / src / mem / cache / mshr.hh
index 86b8dee4d436eadd62ad5833bca945096b23773d..40eb970c0f413402650ae68f82b06f82effb5deb 100644 (file)
@@ -1,5 +1,5 @@
 /*
- * Copyright (c) 2012-2013, 2015 ARM Limited
+ * Copyright (c) 2012-2013, 2015-2016, 2018 ARM Limited
  * All rights reserved.
  *
  * The license below extends only to copyright in the software and shall
@@ -38,6 +38,7 @@
  * OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
  *
  * Authors: Erik Hallnor
+ *          Nikos Nikoleris
  */
 
 /**
 #ifndef __MEM_CACHE_MSHR_HH__
 #define __MEM_CACHE_MSHR_HH__
 
+#include <cassert>
+#include <iosfwd>
 #include <list>
+#include <string>
+#include <vector>
 
 #include "base/printable.hh"
+#include "base/types.hh"
+#include "mem/cache/queue_entry.hh"
 #include "mem/packet.hh"
+#include "mem/request.hh"
+#include "sim/core.hh"
 
-class CacheBlk;
-class MSHRQueue;
+class BaseCache;
 
 /**
  * Miss Status and handling Register. This class keeps all the information
  * needed to handle a cache miss including a list of target requests.
  * @sa  \ref gem5MemorySystem "gem5 Memory System"
  */
-class MSHR : public Packet::SenderState, public Printable
+class MSHR : public QueueEntry, public Printable
 {
 
     /**
-     * Consider the MSHRQueue a friend to avoid making everything public
+     * Consider the queues friends to avoid making everything public.
      */
+    template<typename Entry>
+    friend class Queue;
     friend class MSHRQueue;
 
   private:
 
-    /** Cycle when ready to issue */
-    Tick readyTime;
-
-    /** True if the request is uncacheable */
-    bool _isUncacheable;
-
     /** Flag set by downstream caches */
     bool downstreamPending;
 
-    /** Will we have a dirty copy after this request? */
-    bool pendingDirty;
+    /**
+     * Here we use one flag to track both if:
+     *
+     * 1. We are going to become owner or not, i.e., we will get the
+     * block in an ownership state (Owned or Modified) with BlkDirty
+     * set. This determines whether or not we are going to become the
+     * responder and ordering point for future requests that we snoop.
+     *
+     * 2. We know that we are going to get a writable block, i.e. we
+     * will get the block in writable state (Exclusive or Modified
+     * state) with BlkWritable set. That determines whether additional
+     * targets with needsWritable set will be able to be satisfied, or
+     * if not should be put on the deferred list to possibly wait for
+     * another request that does give us writable access.
+     *
+     * Condition 2 is actually just a shortcut that saves us from
+     * possibly building a deferred target list and calling
+     * promoteWritable() every time we get a writable block. Condition
+     * 1, tracking ownership, is what is important. However, we never
+     * receive ownership without marking the block dirty, and
+     * consequently use pendingModified to track both ownership and
+     * writability rather than having separate pendingDirty and
+     * pendingWritable flags.
+     */
+    bool pendingModified;
 
     /** Did we snoop an invalidate while waiting for data? */
     bool postInvalidate;
@@ -91,7 +118,13 @@ class MSHR : public Packet::SenderState, public Printable
 
   public:
 
-    class Target {
+    /** Track if we sent this as a whole line write or not */
+    bool wasWholeLineWrite;
+
+    /** True if the entry is just a simple forward from an upper level */
+    bool isForward;
+
+    class Target : public QueueEntry::Target {
       public:
 
         enum Source {
@@ -100,80 +133,224 @@ class MSHR : public Packet::SenderState, public Printable
             FromPrefetcher
         };
 
-        Tick recvTime;  //!< Time when request was received (for stats)
-        Tick readyTime; //!< Time when request is ready to be serviced
-        Counter order;  //!< Global order (for memory consistency mgmt)
-        PacketPtr pkt;  //!< Pending request packet.
-        Source source;  //!< Did request come from cpu, memory, or prefetcher?
-        bool markedPending; //!< Did we mark upstream MSHR
-                            //!<  as downstreamPending?
+        const Source source;  //!< Request from cpu, memory, or prefetcher?
+
+        /**
+         * We use this flag to track whether we have cleared the
+         * downstreamPending flag for the MSHR of the cache above
+         * where this packet originates from and guard noninitial
+         * attempts to clear it.
+         *
+         * The flag markedPending needs to be updated when the
+         * TargetList is in service which can be:
+         * 1) during the Target instantiation if the MSHR is in
+         * service and the target is not deferred,
+         * 2) when the MSHR becomes in service if the target is not
+         * deferred,
+         * 3) or when the TargetList is promoted (deferredTargets ->
+         * targets).
+         */
+        bool markedPending;
+
+        const bool allocOnFill;   //!< Should the response servicing this
+                                  //!< target list allocate in the cache?
 
         Target(PacketPtr _pkt, Tick _readyTime, Counter _order,
-               Source _source, bool _markedPending)
-            : recvTime(curTick()), readyTime(_readyTime), order(_order),
-              pkt(_pkt), source(_source), markedPending(_markedPending)
+               Source _source, bool _markedPending, bool alloc_on_fill)
+            : QueueEntry::Target(_pkt, _readyTime, _order), source(_source),
+              markedPending(_markedPending), allocOnFill(alloc_on_fill)
         {}
     };
 
     class TargetList : public std::list<Target> {
-        /** Target list iterator. */
-        typedef std::list<Target>::iterator Iterator;
-        typedef std::list<Target>::const_iterator ConstIterator;
 
       public:
-        bool needsExclusive;
+        bool needsWritable;
         bool hasUpgrade;
+        /** Set when the response should allocate on fill */
+        bool allocOnFill;
+        /**
+         * Determine whether there was at least one non-snooping
+         * target coming from another cache.
+         */
+        bool hasFromCache;
 
         TargetList();
-        void resetFlags() { needsExclusive = hasUpgrade = false; }
-        bool isReset()    { return !needsExclusive && !hasUpgrade; }
+
+        /**
+         * Use the provided packet and the source to update the
+         * flags of this TargetList.
+         *
+         * @param pkt Packet considered for the flag update
+         * @param source Indicates the source of the packet
+         * @param alloc_on_fill Whether the pkt would allocate on a fill
+         */
+        void updateFlags(PacketPtr pkt, Target::Source source,
+                         bool alloc_on_fill);
+
+        /**
+         * Reset state
+         *
+         * @param blk_addr Address of the cache block
+         * @param blk_size Size of the cache block
+         */
+        void init(Addr blk_addr, Addr blk_size) {
+            blkAddr = blk_addr;
+            blkSize = blk_size;
+            writesBitmap.resize(blk_size);
+
+            resetFlags();
+        }
+
+        void resetFlags() {
+            canMergeWrites = true;
+            std::fill(writesBitmap.begin(), writesBitmap.end(), false);
+
+            needsWritable = false;
+            hasUpgrade = false;
+            allocOnFill = false;
+            hasFromCache = false;
+        }
+
+        /**
+         * Goes through the list of targets and uses them to populate
+         * the flags of this TargetList. When the function returns the
+         * flags are consistent with the properties of packets in the
+         * list.
+         */
+        void populateFlags();
+
+        /**
+         * Add the specified packet in the TargetList. This function
+         * stores information related to the added packet and updates
+         * accordingly the flags.
+         *
+         * @param pkt Packet considered for adding
+         */
+        void
+        updateWriteFlags(PacketPtr pkt)
+        {
+            // if we have already seen writes for the full block stop
+            // here, this might be a full line write followed by
+            // other compatible requests (e.g., reads)
+            if (!isWholeLineWrite()) {
+                // Avoid merging requests with special flags (e.g.,
+                // strictly ordered)
+                const Request::FlagsType no_merge_flags =
+                    Request::UNCACHEABLE | Request::STRICT_ORDER |
+                    Request::MMAPPED_IPR | Request::PRIVILEGED |
+                    Request::LLSC | Request::MEM_SWAP |
+                    Request::MEM_SWAP_COND | Request::SECURE;
+                const auto &req_flags = pkt->req->getFlags();
+                bool compat_write = pkt->isWrite() &&
+                    !req_flags.isSet(no_merge_flags);
+                canMergeWrites &= compat_write;
+
+                // if this request is the first target in this list
+                // and additionally a whole-line write, we need to
+                // service it as a whole-line even if we won't allow
+                // any further merging (e.g., SECURE whole line
+                // write).
+                bool first_write = pkt->isWrite() && (size() == 0);
+                if (first_write || compat_write) {
+                    auto offset = pkt->getOffset(blkSize);
+                    auto begin = writesBitmap.begin() + offset;
+                    std::fill(begin, begin + pkt->getSize(), true);
+                }
+            }
+         }
+
+        /**
+         * Tests if the flags of this TargetList have their default
+         * values.
+         *
+         * @return True if the TargetList are reset, false otherwise.
+         */
+        bool isReset() const {
+            return !needsWritable && !hasUpgrade && !allocOnFill &&
+                !hasFromCache && canMergeWrites;
+        }
+
+        /**
+         * Add the specified packet in the TargetList. This function
+         * stores information related to the added packet and updates
+         * accordingly the flags.
+         *
+         * @param pkt Packet considered for adding
+         * @param readTime Tick at which the packet is processed by this cache
+         * @param order A counter giving a unique id to each target
+         * @param source Indicates the source agent of the packet
+         * @param markPending Set for deferred targets or pending MSHRs
+         * @param alloc_on_fill Whether it should allocate on a fill
+         */
         void add(PacketPtr pkt, Tick readyTime, Counter order,
-                 Target::Source source, bool markPending);
+                 Target::Source source, bool markPending, bool alloc_on_fill);
+
+        /**
+         * Convert upgrades to the equivalent request if the cache line they
+         * refer to would have been invalid (Upgrade -> ReadEx, SC* -> Fail).
+         * Used to rejig ordering between targets waiting on an MSHR. */
         void replaceUpgrades();
+
         void clearDownstreamPending();
-        bool checkFunctional(PacketPtr pkt);
+        void clearDownstreamPending(iterator begin, iterator end);
+        bool trySatisfyFunctional(PacketPtr pkt);
         void print(std::ostream &os, int verbosity,
                    const std::string &prefix) const;
+
+        /**
+         * Check if this list contains writes that cover an entire
+         * cache line. This is used as part of the miss-packet
+         * creation. Note that new requests may arrive after a
+         * miss-packet has been created, and for the corresponding
+         * fill we use the wasWholeLineWrite field.
+         */
+        bool isWholeLineWrite() const
+        {
+            return std::all_of(writesBitmap.begin(), writesBitmap.end(),
+                               [](bool i) { return i; });
+        }
+
+      private:
+        /** Address of the cache block for this list of targets. */
+        Addr blkAddr;
+
+        /** Size of the cache block. */
+        Addr blkSize;
+
+        /** Indicates whether we can merge incoming write requests */
+        bool canMergeWrites;
+
+        // NOTE: std::vector<bool> might not meet satisfy the
+        // ForwardIterator requirement and therefore cannot be used
+        // for writesBitmap.
+        /**
+         * Track which bytes are written by requests in this target
+         * list.
+         */
+        std::vector<char> writesBitmap;
     };
 
     /** A list of MSHRs. */
     typedef std::list<MSHR *> List;
     /** MSHR list iterator. */
     typedef List::iterator Iterator;
-    /** MSHR list const_iterator. */
-    typedef List::const_iterator ConstIterator;
-
-    /** Pointer to queue containing this MSHR. */
-    MSHRQueue *queue;
-
-    /** Order number assigned by the miss queue. */
-    Counter order;
-
-    /** Block aligned address of the MSHR. */
-    Addr blkAddr;
-
-    /** Block size of the cache. */
-    unsigned blkSize;
-
-    /** True if the request targets the secure memory space. */
-    bool isSecure;
-
-    /** True if the request has been sent to the bus. */
-    bool inService;
-
-    /** True if the request is just a simple forward from an upper level */
-    bool isForward;
 
     /** The pending* and post* flags are only valid if inService is
      *  true.  Using the accessor functions lets us detect if these
      *  flags are accessed improperly.
      */
 
-    /** True if we need to get an exclusive copy of the block. */
-    bool needsExclusive() const { return targets.needsExclusive; }
+    /** True if we need to get a writable copy of the block. */
+    bool needsWritable() const { return targets.needsWritable; }
 
-    bool isPendingDirty() const {
-        assert(inService); return pendingDirty;
+    bool isCleaning() const {
+        PacketPtr pkt = targets.front().pkt;
+        return pkt->isClean();
+    }
+
+    bool isPendingModified() const {
+        assert(inService); return pendingModified;
     }
 
     bool hasPostInvalidate() const {
@@ -184,14 +361,32 @@ class MSHR : public Packet::SenderState, public Printable
         assert(inService); return postDowngrade;
     }
 
-    /** Thread number of the miss. */
-    ThreadID threadNum;
+    bool sendPacket(BaseCache &cache) override;
 
-  private:
+    bool allocOnFill() const {
+        return targets.allocOnFill;
+    }
+
+    /**
+     * Determine if there are non-deferred requests from other caches
+     *
+     * @return true if any of the targets is from another cache
+     */
+    bool hasFromCache() const {
+        return targets.hasFromCache;
+    }
 
-    /** Data buffer (if needed).  Currently used only for pending
-     * upgrade handling. */
-    uint8_t *data;
+  private:
+    /**
+     * Promotes deferred targets that satisfy a predicate
+     *
+     * Deferred targets are promoted to the target list if they
+     * satisfy a given condition. The operation stops at the first
+     * deferred target that doesn't satisfy the condition.
+     *
+     * @param pred A condition on a Target
+     */
+    void promoteIf(const std::function<bool (Target &)>& pred);
 
     /**
      * Pointer to this MSHR on the ready list.
@@ -211,8 +406,16 @@ class MSHR : public Packet::SenderState, public Printable
     TargetList deferredTargets;
 
   public:
-
-    bool isUncacheable() const { return _isUncacheable; }
+    /**
+     * Check if this MSHR contains only compatible writes, and if they
+     * span the entire cache line. This is used as part of the
+     * miss-packet creation. Note that new requests may arrive after a
+     * miss-packet has been created, and for the fill we therefore use
+     * the wasWholeLineWrite field.
+     */
+    bool isWholeLineWrite() const {
+        return targets.isWholeLineWrite();
+    }
 
     /**
      * Allocate a miss to this MSHR.
@@ -221,11 +424,12 @@ class MSHR : public Packet::SenderState, public Printable
      * @param pkt The original miss.
      * @param when_ready When should the MSHR be ready to act upon.
      * @param _order The logical order of this MSHR
+     * @param alloc_on_fill Should the cache allocate a block on fill
      */
     void allocate(Addr blk_addr, unsigned blk_size, PacketPtr pkt,
-                  Tick when_ready, Counter _order);
+                  Tick when_ready, Counter _order, bool alloc_on_fill);
 
-    bool markInService(bool pending_dirty_resp);
+    void markInService(bool pending_modified_resp);
 
     void clearDownstreamPending();
 
@@ -238,7 +442,8 @@ class MSHR : public Packet::SenderState, public Printable
      * Add a request to the list of targets.
      * @param target The target.
      */
-    void allocateTarget(PacketPtr target, Tick when, Counter order);
+    void allocateTarget(PacketPtr target, Tick when, Counter order,
+                        bool alloc_on_fill);
     bool handleSnoop(PacketPtr target, Counter order);
 
     /** A simple constructor. */
@@ -251,6 +456,20 @@ class MSHR : public Packet::SenderState, public Printable
     int getNumTargets() const
     { return targets.size() + deferredTargets.size(); }
 
+    /**
+     * Extracts the subset of the targets that can be serviced given a
+     * received response. This function returns the targets list
+     * unless the response is a ReadRespWithInvalidate. The
+     * ReadRespWithInvalidate is only invalidating response that its
+     * invalidation was not expected when the request (a
+     * ReadSharedReq) was sent out. For ReadRespWithInvalidate we can
+     * safely service only the first FromCPU target and all FromSnoop
+     * targets (inform all snoopers that we no longer have the block).
+     *
+     * @param pkt The response from the downstream memory
+     */
+    TargetList extractServiceableTargets(PacketPtr pkt);
+
     /**
      * Returns true if there are targets left.
      * @return true if there are targets
@@ -261,7 +480,7 @@ class MSHR : public Packet::SenderState, public Printable
      * Returns a reference to the first target.
      * @return A pointer to the first target.
      */
-    Target *getTarget()
+    QueueEntry::Target *getTarget() override
     {
         assert(hasTargets());
         return &targets.front();
@@ -275,26 +494,45 @@ class MSHR : public Packet::SenderState, public Printable
         targets.pop_front();
     }
 
-    bool isForwardNoResponse() const
-    {
-        if (getNumTargets() != 1)
-            return false;
-        const Target *tgt = &targets.front();
-        return tgt->source == Target::FromCPU && !tgt->pkt->needsResponse();
-    }
-
     bool promoteDeferredTargets();
 
-    void handleFill(Packet *pkt, CacheBlk *blk);
+    /**
+     * Promotes deferred targets that do not require writable
+     *
+     * Move targets from the deferred targets list to the target list
+     * starting from the first deferred target until the first target
+     * that is a cache maintenance operation or needs a writable copy
+     * of the block
+     */
+    void promoteReadable();
 
-    bool checkFunctional(PacketPtr pkt);
+    /**
+     * Promotes deferred targets that do not require writable
+     *
+     * Requests in the deferred target list are moved to the target
+     * list up until the first target that is a cache maintenance
+     * operation or needs a writable copy of the block
+     */
+    void promoteWritable();
+
+    bool trySatisfyFunctional(PacketPtr pkt);
+
+    /**
+     * Adds a delay relative to the current tick to the current MSHR
+     * @param delay_ticks the desired delay in ticks
+     */
+    void delay(Tick delay_ticks)
+    {
+        assert(readyTime <= curTick());
+        readyTime = curTick() + delay_ticks;
+    }
 
     /**
      * Prints the contents of this MSHR for debugging.
      */
     void print(std::ostream &os,
                int verbosity = 0,
-               const std::string &prefix = "") const;
+               const std::string &prefix = "") const override;
     /**
      * A no-args wrapper of print(std::ostream...)  meant to be
      * invoked from DPRINTFs avoiding string overheads in fast mode
@@ -302,6 +540,10 @@ class MSHR : public Packet::SenderState, public Printable
      * @return string with mshr fields + [deferred]targets
      */
     std::string print() const;
+
+    bool matchBlockAddr(const Addr addr, const bool is_secure) const override;
+    bool matchBlockAddr(const PacketPtr pkt) const override;
+    bool conflictAddr(const QueueEntry* entry) const override;
 };
 
 #endif // __MEM_CACHE_MSHR_HH__