mem-cache: Avoid write merging if there are reads in between
[gem5.git] / src / mem / coherent_xbar.cc
index 667ff96f9b4ebc55bf63377de505eb32cdd9d72c..713c6421b011c996ffd132665bb0a96d63062995 100644 (file)
@@ -1,5 +1,5 @@
 /*
- * Copyright (c) 2011-2014 ARM Limited
+ * Copyright (c) 2011-2019 ARM Limited
  * All rights reserved
  *
  * The license below extends only to copyright in the software and shall
@@ -40,6 +40,7 @@
  * Authors: Ali Saidi
  *          Andreas Hansson
  *          William Wang
+ *          Nikos Nikoleris
  */
 
 /**
  * Definition of a crossbar object.
  */
 
-#include "base/misc.hh"
+#include "mem/coherent_xbar.hh"
+
+#include "base/logging.hh"
 #include "base/trace.hh"
 #include "debug/AddrRanges.hh"
 #include "debug/CoherentXBar.hh"
-#include "mem/coherent_xbar.hh"
 #include "sim/system.hh"
 
 CoherentXBar::CoherentXBar(const CoherentXBarParams *p)
-    : BaseXBar(p), system(p->system), snoopFilter(p->snoop_filter)
+    : BaseXBar(p), system(p->system), snoopFilter(p->snoop_filter),
+      snoopResponseLatency(p->snoop_response_latency),
+      maxOutstandingSnoopCheck(p->max_outstanding_snoops),
+      maxRoutingTableSizeCheck(p->max_routing_table_size),
+      pointOfCoherency(p->point_of_coherency),
+      pointOfUnification(p->point_of_unification),
+
+      snoops(this, "snoops", "Total snoops (count)"),
+      snoopTraffic(this, "snoopTraffic", "Total snoop traffic (bytes)"),
+      snoopFanout(this, "snoop_fanout", "Request fanout histogram")
 {
     // create the ports based on the size of the master and slave
     // vector ports, and the presence of the default port, the ports
@@ -65,9 +76,9 @@ CoherentXBar::CoherentXBar(const CoherentXBarParams *p)
         MasterPort* bp = new CoherentXBarMasterPort(portName, *this, i);
         masterPorts.push_back(bp);
         reqLayers.push_back(new ReqLayer(*bp, *this,
-                                         csprintf(".reqLayer%d", i)));
-        snoopLayers.push_back(new SnoopRespLayer(*bp, *this,
-                                                 csprintf(".snoopLayer%d", i)));
+                                         csprintf("reqLayer%d", i)));
+        snoopLayers.push_back(
+                new SnoopRespLayer(*bp, *this, csprintf("snoopLayer%d", i)));
     }
 
     // see if we have a default slave device connected and if so add
@@ -76,29 +87,24 @@ CoherentXBar::CoherentXBar(const CoherentXBarParams *p)
         defaultPortID = masterPorts.size();
         std::string portName = name() + ".default";
         MasterPort* bp = new CoherentXBarMasterPort(portName, *this,
-                                                   defaultPortID);
+                                                    defaultPortID);
         masterPorts.push_back(bp);
-        reqLayers.push_back(new ReqLayer(*bp, *this, csprintf(".reqLayer%d",
-                                             defaultPortID)));
+        reqLayers.push_back(new ReqLayer(*bp, *this, csprintf("reqLayer%d",
+                                         defaultPortID)));
         snoopLayers.push_back(new SnoopRespLayer(*bp, *this,
-                                                 csprintf(".snoopLayer%d",
+                                                 csprintf("snoopLayer%d",
                                                           defaultPortID)));
     }
 
     // create the slave ports, once again starting at zero
     for (int i = 0; i < p->port_slave_connection_count; ++i) {
         std::string portName = csprintf("%s.slave[%d]", name(), i);
-        SlavePort* bp = new CoherentXBarSlavePort(portName, *this, i);
+        QueuedSlavePort* bp = new CoherentXBarSlavePort(portName, *this, i);
         slavePorts.push_back(bp);
         respLayers.push_back(new RespLayer(*bp, *this,
-                                           csprintf(".respLayer%d", i)));
+                                           csprintf("respLayer%d", i)));
         snoopRespPorts.push_back(new SnoopRespPort(*bp, *this));
     }
-
-    if (snoopFilter)
-        snoopFilter->setSlavePorts(slavePorts);
-
-    clearPortCache();
 }
 
 CoherentXBar::~CoherentXBar()
@@ -116,7 +122,6 @@ CoherentXBar::~CoherentXBar()
 void
 CoherentXBar::init()
 {
-    // the base class is responsible for determining the block size
     BaseXBar::init();
 
     // iterate over our slave ports and determine which of our
@@ -124,14 +129,18 @@ CoherentXBar::init()
     for (const auto& p: slavePorts) {
         // check if the connected master port is snooping
         if (p->isSnooping()) {
-            DPRINTF(AddrRanges, "Adding snooping master %s\n",
-                    p->getMasterPort().name());
+            DPRINTF(AddrRanges, "Adding snooping master %s\n", p->getPeer());
             snoopPorts.push_back(p);
         }
     }
 
     if (snoopPorts.empty())
         warn("CoherentXBar %s has no snooping ports attached!\n", name());
+
+    // inform the snoop filter about the slave ports so it can create
+    // its own internal representation
+    if (snoopFilter)
+        snoopFilter->setSlavePorts(slavePorts);
 }
 
 bool
@@ -142,94 +151,173 @@ CoherentXBar::recvTimingReq(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id)
 
     // remember if the packet is an express snoop
     bool is_express_snoop = pkt->isExpressSnoop();
-    bool is_inhibited = pkt->memInhibitAsserted();
+    bool cache_responding = pkt->cacheResponding();
     // for normal requests, going downstream, the express snoop flag
-    // and the inhibited flag should always be the same
-    assert(is_express_snoop == is_inhibited);
+    // and the cache responding flag should always be the same
+    assert(is_express_snoop == cache_responding);
 
-    // determine the destination based on the address
-    PortID master_port_id = findPort(pkt->getAddr());
+    // determine the destination based on the destination address range
+    PortID master_port_id = findPort(pkt->getAddrRange());
 
     // test if the crossbar should be considered occupied for the current
     // port, and exclude express snoops from the check
     if (!is_express_snoop && !reqLayers[master_port_id]->tryTiming(src_port)) {
-        DPRINTF(CoherentXBar, "recvTimingReq: src %s %s 0x%x BUSY\n",
-                src_port->name(), pkt->cmdString(), pkt->getAddr());
+        DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s BUSY\n", __func__,
+                src_port->name(), pkt->print());
         return false;
     }
 
-    DPRINTF(CoherentXBar, "recvTimingReq: src %s %s expr %d 0x%x\n",
-            src_port->name(), pkt->cmdString(), is_express_snoop,
-            pkt->getAddr());
+    DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s\n", __func__,
+            src_port->name(), pkt->print());
 
     // store size and command as they might be modified when
     // forwarding the packet
     unsigned int pkt_size = pkt->hasData() ? pkt->getSize() : 0;
     unsigned int pkt_cmd = pkt->cmdToIndex();
 
-    calcPacketTiming(pkt);
-    Tick packetFinishTime = curTick() + pkt->payloadDelay;
+    // store the old header delay so we can restore it if needed
+    Tick old_header_delay = pkt->headerDelay;
+
+    // a request sees the frontend and forward latency
+    Tick xbar_delay = (frontendLatency + forwardLatency) * clockPeriod();
+
+    // set the packet header and payload delay
+    calcPacketTiming(pkt, xbar_delay);
+
+    // determine how long to be crossbar layer is busy
+    Tick packetFinishTime = clockEdge(Cycles(1)) + pkt->payloadDelay;
+
+    // is this the destination point for this packet? (e.g. true if
+    // this xbar is the PoC for a cache maintenance operation to the
+    // PoC) otherwise the destination is any cache that can satisfy
+    // the request
+    const bool is_destination = isDestination(pkt);
+
+    const bool snoop_caches = !system->bypassCaches() &&
+        pkt->cmd != MemCmd::WriteClean;
+    if (snoop_caches) {
+        assert(pkt->snoopDelay == 0);
+
+        if (pkt->isClean() && !is_destination) {
+            // before snooping we need to make sure that the memory
+            // below is not busy and the cache clean request can be
+            // forwarded to it
+            if (!masterPorts[master_port_id]->tryTiming(pkt)) {
+                DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s RETRY\n", __func__,
+                        src_port->name(), pkt->print());
+
+                // update the layer state and schedule an idle event
+                reqLayers[master_port_id]->failedTiming(src_port,
+                                                        clockEdge(Cycles(1)));
+                return false;
+            }
+        }
+
 
-    // uncacheable requests need never be snooped
-    if (!pkt->req->isUncacheable() && !system->bypassCaches()) {
         // the packet is a memory-mapped request and should be
         // broadcasted to our snoopers but the source
         if (snoopFilter) {
             // check with the snoop filter where to forward this packet
             auto sf_res = snoopFilter->lookupRequest(pkt, *src_port);
-            packetFinishTime += sf_res.second * clockPeriod();
-            DPRINTF(CoherentXBar, "recvTimingReq: src %s %s 0x%x"\
-                    " SF size: %i lat: %i\n", src_port->name(),
-                    pkt->cmdString(), pkt->getAddr(), sf_res.first.size(),
-                    sf_res.second);
-            forwardTiming(pkt, slave_port_id, sf_res.first);
+            // the time required by a packet to be delivered through
+            // the xbar has to be charged also with to lookup latency
+            // of the snoop filter
+            pkt->headerDelay += sf_res.second * clockPeriod();
+            DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s SF size: %i lat: %i\n",
+                    __func__, src_port->name(), pkt->print(),
+                    sf_res.first.size(), sf_res.second);
+
+            if (pkt->isEviction()) {
+                // for block-evicting packets, i.e. writebacks and
+                // clean evictions, there is no need to snoop up, as
+                // all we do is determine if the block is cached or
+                // not, instead just set it here based on the snoop
+                // filter result
+                if (!sf_res.first.empty())
+                    pkt->setBlockCached();
+            } else {
+                forwardTiming(pkt, slave_port_id, sf_res.first);
+            }
         } else {
             forwardTiming(pkt, slave_port_id);
         }
+
+        // add the snoop delay to our header delay, and then reset it
+        pkt->headerDelay += pkt->snoopDelay;
+        pkt->snoopDelay = 0;
     }
 
-    // remember if the packet will generate a snoop response
-    const bool expect_snoop_resp = !is_inhibited && pkt->memInhibitAsserted();
-    const bool expect_response = pkt->needsResponse() &&
-        !pkt->memInhibitAsserted();
+    // set up a sensible starting point
+    bool success = true;
+
+    // remember if the packet will generate a snoop response by
+    // checking if a cache set the cacheResponding flag during the
+    // snooping above
+    const bool expect_snoop_resp = !cache_responding && pkt->cacheResponding();
+    bool expect_response = pkt->needsResponse() && !pkt->cacheResponding();
+
+    const bool sink_packet = sinkPacket(pkt);
+
+    // in certain cases the crossbar is responsible for responding
+    bool respond_directly = false;
+    // store the original address as an address mapper could possibly
+    // modify the address upon a sendTimingRequest
+    const Addr addr(pkt->getAddr());
+    if (sink_packet) {
+        DPRINTF(CoherentXBar, "%s: Not forwarding %s\n", __func__,
+                pkt->print());
+    } else {
+        // determine if we are forwarding the packet, or responding to
+        // it
+        if (forwardPacket(pkt)) {
+            // if we are passing on, rather than sinking, a packet to
+            // which an upstream cache has committed to responding,
+            // the line was needs writable, and the responding only
+            // had an Owned copy, so we need to immidiately let the
+            // downstream caches know, bypass any flow control
+            if (pkt->cacheResponding()) {
+                pkt->setExpressSnoop();
+            }
 
-    // Note: Cannot create a copy of the full packet, here.
-    MemCmd orig_cmd(pkt->cmd);
+            // make sure that the write request (e.g., WriteClean)
+            // will stop at the memory below if this crossbar is its
+            // destination
+            if (pkt->isWrite() && is_destination) {
+                pkt->clearWriteThrough();
+            }
 
-    // since it is a normal request, attempt to send the packet
-    bool success = masterPorts[master_port_id]->sendTimingReq(pkt);
+            // since it is a normal request, attempt to send the packet
+            success = masterPorts[master_port_id]->sendTimingReq(pkt);
+        } else {
+            // no need to forward, turn this packet around and respond
+            // directly
+            assert(pkt->needsResponse());
 
-    if (snoopFilter && !pkt->req->isUncacheable()
-        && !system->bypassCaches()) {
-        // The packet may already be overwritten by the sendTimingReq function.
-        // The snoop filter needs to see the original request *and* the return
-        // status of the send operation, so we need to recreate the original
-        // request.  Atomic mode does not have the issue, as there the send
-        // operation and the response happen instantaneously and don't need two
-        // phase tracking.
-        MemCmd tmp_cmd(pkt->cmd);
-        pkt->cmd = orig_cmd;
+            respond_directly = true;
+            assert(!expect_snoop_resp);
+            expect_response = false;
+        }
+    }
+
+    if (snoopFilter && snoop_caches) {
         // Let the snoop filter know about the success of the send operation
-        snoopFilter->updateRequest(pkt, *src_port, !success);
-        pkt->cmd = tmp_cmd;
+        snoopFilter->finishRequest(!success, addr, pkt->isSecure());
     }
 
     // check if we were successful in sending the packet onwards
     if (!success)  {
-        // express snoops and inhibited packets should never be forced
-        // to retry
+        // express snoops should never be forced to retry
         assert(!is_express_snoop);
-        assert(!pkt->memInhibitAsserted());
 
-        // undo the calculation so we can check for 0 again
-        pkt->headerDelay = pkt->payloadDelay = 0;
+        // restore the header delay
+        pkt->headerDelay = old_header_delay;
 
-        DPRINTF(CoherentXBar, "recvTimingReq: src %s %s 0x%x RETRY\n",
-                src_port->name(), pkt->cmdString(), pkt->getAddr());
+        DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s RETRY\n", __func__,
+                src_port->name(), pkt->print());
 
         // update the layer state and schedule an idle event
         reqLayers[master_port_id]->failedTiming(src_port,
-                                                clockEdge(headerCycles));
+                                                clockEdge(Cycles(1)));
     } else {
         // express snoops currently bypass the crossbar state entirely
         if (!is_express_snoop) {
@@ -242,8 +330,9 @@ CoherentXBar::recvTimingReq(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id)
                 outstandingSnoop.insert(pkt->req);
 
                 // basic sanity check on the outstanding snoops
-                panic_if(outstandingSnoop.size() > 512,
-                         "Outstanding snoop requests exceeded 512\n");
+                panic_if(outstandingSnoop.size() > maxOutstandingSnoopCheck,
+                         "%s: Outstanding snoop requests exceeded %d\n",
+                         name(), maxOutstandingSnoopCheck);
             }
 
             // remember where to route the normal response to
@@ -251,8 +340,9 @@ CoherentXBar::recvTimingReq(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id)
                 assert(routeTo.find(pkt->req) == routeTo.end());
                 routeTo[pkt->req] = slave_port_id;
 
-                panic_if(routeTo.size() > 512,
-                         "Routing table exceeds 512 packets\n");
+                panic_if(routeTo.size() > maxRoutingTableSizeCheck,
+                         "%s: Routing table exceeds %d packets\n",
+                         name(), maxRoutingTableSizeCheck);
             }
 
             // update the layer state and schedule an idle event
@@ -264,8 +354,87 @@ CoherentXBar::recvTimingReq(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id)
         pktSize[slave_port_id][master_port_id] += pkt_size;
         transDist[pkt_cmd]++;
 
-        if (is_express_snoop)
+        if (is_express_snoop) {
             snoops++;
+            snoopTraffic += pkt_size;
+        }
+    }
+
+    if (sink_packet)
+        // queue the packet for deletion
+        pendingDelete.reset(pkt);
+
+    // normally we respond to the packet we just received if we need to
+    PacketPtr rsp_pkt = pkt;
+    PortID rsp_port_id = slave_port_id;
+
+    // If this is the destination of the cache clean operation the
+    // crossbar is responsible for responding. This crossbar will
+    // respond when the cache clean is complete. A cache clean
+    // is complete either:
+    // * direcly, if no cache above had a dirty copy of the block
+    //   as indicated by the satisfied flag of the packet, or
+    // * when the crossbar has seen both the cache clean request
+    //   (CleanSharedReq, CleanInvalidReq) and the corresponding
+    //   write (WriteClean) which updates the block in the memory
+    //   below.
+    if (success &&
+        ((pkt->isClean() && pkt->satisfied()) ||
+         pkt->cmd == MemCmd::WriteClean) &&
+        is_destination) {
+        PacketPtr deferred_rsp = pkt->isWrite() ? nullptr : pkt;
+        auto cmo_lookup = outstandingCMO.find(pkt->id);
+        if (cmo_lookup != outstandingCMO.end()) {
+            // the cache clean request has already reached this xbar
+            respond_directly = true;
+            if (pkt->isWrite()) {
+                rsp_pkt = cmo_lookup->second;
+                assert(rsp_pkt);
+
+                // determine the destination
+                const auto route_lookup = routeTo.find(rsp_pkt->req);
+                assert(route_lookup != routeTo.end());
+                rsp_port_id = route_lookup->second;
+                assert(rsp_port_id != InvalidPortID);
+                assert(rsp_port_id < respLayers.size());
+                // remove the request from the routing table
+                routeTo.erase(route_lookup);
+            }
+            outstandingCMO.erase(cmo_lookup);
+        } else {
+            respond_directly = false;
+            outstandingCMO.emplace(pkt->id, deferred_rsp);
+            if (!pkt->isWrite()) {
+                assert(routeTo.find(pkt->req) == routeTo.end());
+                routeTo[pkt->req] = slave_port_id;
+
+                panic_if(routeTo.size() > maxRoutingTableSizeCheck,
+                         "%s: Routing table exceeds %d packets\n",
+                         name(), maxRoutingTableSizeCheck);
+            }
+        }
+    }
+
+
+    if (respond_directly) {
+        assert(rsp_pkt->needsResponse());
+        assert(success);
+
+        rsp_pkt->makeResponse();
+
+        if (snoopFilter && !system->bypassCaches()) {
+            // let the snoop filter inspect the response and update its state
+            snoopFilter->updateResponse(rsp_pkt, *slavePorts[rsp_port_id]);
+        }
+
+        // we send the response after the current packet, even if the
+        // response is not for this packet (e.g. cache clean operation
+        // where both the request and the write packet have to cross
+        // the destination xbar before the response is sent.)
+        Tick response_time = clockEdge() + pkt->headerDelay;
+        rsp_pkt->headerDelay = 0;
+
+        slavePorts[rsp_port_id]->schedTimingResp(rsp_pkt, response_time);
     }
 
     return success;
@@ -287,33 +456,38 @@ CoherentXBar::recvTimingResp(PacketPtr pkt, PortID master_port_id)
     // test if the crossbar should be considered occupied for the
     // current port
     if (!respLayers[slave_port_id]->tryTiming(src_port)) {
-        DPRINTF(CoherentXBar, "recvTimingResp: src %s %s 0x%x BUSY\n",
-                src_port->name(), pkt->cmdString(), pkt->getAddr());
+        DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s BUSY\n", __func__,
+                src_port->name(), pkt->print());
         return false;
     }
 
-    DPRINTF(CoherentXBar, "recvTimingResp: src %s %s 0x%x\n",
-            src_port->name(), pkt->cmdString(), pkt->getAddr());
+    DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s\n", __func__,
+            src_port->name(), pkt->print());
 
     // store size and command as they might be modified when
     // forwarding the packet
     unsigned int pkt_size = pkt->hasData() ? pkt->getSize() : 0;
     unsigned int pkt_cmd = pkt->cmdToIndex();
 
-    calcPacketTiming(pkt);
-    Tick packetFinishTime = curTick() + pkt->payloadDelay;
+    // a response sees the response latency
+    Tick xbar_delay = responseLatency * clockPeriod();
+
+    // set the packet header and payload delay
+    calcPacketTiming(pkt, xbar_delay);
 
-    if (snoopFilter && !pkt->req->isUncacheable() && !system->bypassCaches()) {
+    // determine how long to be crossbar layer is busy
+    Tick packetFinishTime = clockEdge(Cycles(1)) + pkt->payloadDelay;
+
+    if (snoopFilter && !system->bypassCaches()) {
         // let the snoop filter inspect the response and update its state
         snoopFilter->updateResponse(pkt, *slavePorts[slave_port_id]);
     }
 
-    // send the packet through the destination slave port
-    bool success M5_VAR_USED = slavePorts[slave_port_id]->sendTimingResp(pkt);
-
-    // currently it is illegal to block responses... can lead to
-    // deadlock
-    assert(success);
+    // send the packet through the destination slave port and pay for
+    // any outstanding header delay
+    Tick latency = pkt->headerDelay;
+    pkt->headerDelay = 0;
+    slavePorts[slave_port_id]->schedTimingResp(pkt, curTick() + latency);
 
     // remove the request from the routing table
     routeTo.erase(route_lookup);
@@ -331,28 +505,38 @@ CoherentXBar::recvTimingResp(PacketPtr pkt, PortID master_port_id)
 void
 CoherentXBar::recvTimingSnoopReq(PacketPtr pkt, PortID master_port_id)
 {
-    DPRINTF(CoherentXBar, "recvTimingSnoopReq: src %s %s 0x%x\n",
-            masterPorts[master_port_id]->name(), pkt->cmdString(),
-            pkt->getAddr());
+    DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s\n", __func__,
+            masterPorts[master_port_id]->name(), pkt->print());
 
     // update stats here as we know the forwarding will succeed
+    unsigned int pkt_size = pkt->hasData() ? pkt->getSize() : 0;
     transDist[pkt->cmdToIndex()]++;
     snoops++;
+    snoopTraffic += pkt_size;
 
     // we should only see express snoops from caches
     assert(pkt->isExpressSnoop());
 
-    // remeber if the packet is inhibited so we can see if it changes
-    const bool is_inhibited = pkt->memInhibitAsserted();
+    // set the packet header and payload delay, for now use forward latency
+    // @todo Assess the choice of latency further
+    calcPacketTiming(pkt, forwardLatency * clockPeriod());
+
+    // remember if a cache has already committed to responding so we
+    // can see if it changes during the snooping
+    const bool cache_responding = pkt->cacheResponding();
+
+    assert(pkt->snoopDelay == 0);
 
     if (snoopFilter) {
         // let the Snoop Filter work its magic and guide probing
         auto sf_res = snoopFilter->lookupSnoop(pkt);
-        // No timing here: packetFinishTime += sf_res.second * clockPeriod();
-        DPRINTF(CoherentXBar, "recvTimingSnoopReq: src %s %s 0x%x"\
-                " SF size: %i lat: %i\n", masterPorts[master_port_id]->name(),
-                pkt->cmdString(), pkt->getAddr(), sf_res.first.size(),
-                sf_res.second);
+        // the time required by a packet to be delivered through
+        // the xbar has to be charged also with to lookup latency
+        // of the snoop filter
+        pkt->headerDelay += sf_res.second * clockPeriod();
+        DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s SF size: %i lat: %i\n",
+                __func__, masterPorts[master_port_id]->name(), pkt->print(),
+                sf_res.first.size(), sf_res.second);
 
         // forward to all snoopers
         forwardTiming(pkt, InvalidPortID, sf_res.first);
@@ -360,8 +544,12 @@ CoherentXBar::recvTimingSnoopReq(PacketPtr pkt, PortID master_port_id)
         forwardTiming(pkt, InvalidPortID);
     }
 
+    // add the snoop delay to our header delay, and then reset it
+    pkt->headerDelay += pkt->snoopDelay;
+    pkt->snoopDelay = 0;
+
     // if we can expect a response, remember how to route it
-    if (!is_inhibited && pkt->memInhibitAsserted()) {
+    if (!cache_responding && pkt->cacheResponding()) {
         assert(routeTo.find(pkt->req) == routeTo.end());
         routeTo[pkt->req] = master_port_id;
     }
@@ -371,7 +559,7 @@ CoherentXBar::recvTimingSnoopReq(PacketPtr pkt, PortID master_port_id)
     // device responsible for the address range something is
     // wrong, hence there is nothing further to do as the packet
     // would be going back to where it came from
-    assert(master_port_id == findPort(pkt->getAddr()));
+    assert(findPort(pkt->getAddrRange()) == master_port_id);
 }
 
 bool
@@ -400,8 +588,8 @@ CoherentXBar::recvTimingSnoopResp(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id)
     if (forwardAsSnoop) {
         assert(dest_port_id < snoopLayers.size());
         if (!snoopLayers[dest_port_id]->tryTiming(src_port)) {
-            DPRINTF(CoherentXBar, "recvTimingSnoopResp: src %s %s 0x%x BUSY\n",
-                    src_port->name(), pkt->cmdString(), pkt->getAddr());
+            DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s BUSY\n", __func__,
+                    src_port->name(), pkt->print());
             return false;
         }
     } else {
@@ -409,14 +597,14 @@ CoherentXBar::recvTimingSnoopResp(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id)
         MasterPort* snoop_port = snoopRespPorts[slave_port_id];
         assert(dest_port_id < respLayers.size());
         if (!respLayers[dest_port_id]->tryTiming(snoop_port)) {
-            DPRINTF(CoherentXBar, "recvTimingSnoopResp: src %s %s 0x%x BUSY\n",
-                    snoop_port->name(), pkt->cmdString(), pkt->getAddr());
+            DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s BUSY\n", __func__,
+                    snoop_port->name(), pkt->print());
             return false;
         }
     }
 
-    DPRINTF(CoherentXBar, "recvTimingSnoopResp: src %s %s 0x%x\n",
-            src_port->name(), pkt->cmdString(), pkt->getAddr());
+    DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s\n", __func__,
+            src_port->name(), pkt->print());
 
     // store size and command as they might be modified when
     // forwarding the packet
@@ -426,8 +614,17 @@ CoherentXBar::recvTimingSnoopResp(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id)
     // responses are never express snoops
     assert(!pkt->isExpressSnoop());
 
-    calcPacketTiming(pkt);
-    Tick packetFinishTime = curTick() + pkt->payloadDelay;
+    // a snoop response sees the snoop response latency, and if it is
+    // forwarded as a normal response, the response latency
+    Tick xbar_delay =
+        (forwardAsSnoop ? snoopResponseLatency : responseLatency) *
+        clockPeriod();
+
+    // set the packet header and payload delay
+    calcPacketTiming(pkt, xbar_delay);
+
+    // determine how long to be crossbar layer is busy
+    Tick packetFinishTime = clockEdge(Cycles(1)) + pkt->payloadDelay;
 
     // forward it either as a snoop response or a normal response
     if (forwardAsSnoop) {
@@ -466,23 +663,15 @@ CoherentXBar::recvTimingSnoopResp(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id)
                                     *slavePorts[dest_port_id]);
         }
 
-        DPRINTF(CoherentXBar, "recvTimingSnoopResp: src %s %s 0x%x"\
-                " FWD RESP\n", src_port->name(), pkt->cmdString(),
-                pkt->getAddr());
+        DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s FWD RESP\n", __func__,
+                src_port->name(), pkt->print());
 
         // as a normal response, it should go back to a master through
-        // one of our slave ports, at this point we are ignoring the
-        // fact that the response layer could be busy and do not touch
-        // its state
-        bool success M5_VAR_USED =
-            slavePorts[dest_port_id]->sendTimingResp(pkt);
-
-        // @todo Put the response in an internal FIFO and pass it on
-        // to the response layer from there
-
-        // currently it is illegal to block responses... can lead
-        // to deadlock
-        assert(success);
+        // one of our slave ports, we also pay for any outstanding
+        // header latency
+        Tick latency = pkt->headerDelay;
+        pkt->headerDelay = 0;
+        slavePorts[dest_port_id]->schedTimingResp(pkt, curTick() + latency);
 
         respLayers[dest_port_id]->succeededTiming(packetFinishTime);
     }
@@ -493,6 +682,7 @@ CoherentXBar::recvTimingSnoopResp(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id)
     // stats updates
     transDist[pkt_cmd]++;
     snoops++;
+    snoopTraffic += pkt_size;
 
     return true;
 }
@@ -500,10 +690,9 @@ CoherentXBar::recvTimingSnoopResp(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id)
 
 void
 CoherentXBar::forwardTiming(PacketPtr pkt, PortID exclude_slave_port_id,
-                           const std::vector<SlavePort*>& dests)
+                           const std::vector<QueuedSlavePort*>& dests)
 {
-    DPRINTF(CoherentXBar, "%s for %s address %x size %d\n", __func__,
-            pkt->cmdString(), pkt->getAddr(), pkt->getSize());
+    DPRINTF(CoherentXBar, "%s for %s\n", __func__, pkt->print());
 
     // snoops should only happen if the system isn't bypassing caches
     assert(!system->bypassCaches());
@@ -537,11 +726,11 @@ CoherentXBar::recvReqRetry(PortID master_port_id)
 }
 
 Tick
-CoherentXBar::recvAtomic(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id)
+CoherentXBar::recvAtomicBackdoor(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id,
+                                 MemBackdoorPtr *backdoor)
 {
-    DPRINTF(CoherentXBar, "recvAtomic: packet src %s addr 0x%x cmd %s\n",
-            slavePorts[slave_port_id]->name(), pkt->getAddr(),
-            pkt->cmdString());
+    DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s\n", __func__,
+            slavePorts[slave_port_id]->name(), pkt->print());
 
     unsigned int pkt_size = pkt->hasData() ? pkt->getSize() : 0;
     unsigned int pkt_cmd = pkt->cmdToIndex();
@@ -549,8 +738,15 @@ CoherentXBar::recvAtomic(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id)
     MemCmd snoop_response_cmd = MemCmd::InvalidCmd;
     Tick snoop_response_latency = 0;
 
-    // uncacheable requests need never be snooped
-    if (!pkt->req->isUncacheable() && !system->bypassCaches()) {
+    // is this the destination point for this packet? (e.g. true if
+    // this xbar is the PoC for a cache maintenance operation to the
+    // PoC) otherwise the destination is any cache that can satisfy
+    // the request
+    const bool is_destination = isDestination(pkt);
+
+    const bool snoop_caches = !system->bypassCaches() &&
+        pkt->cmd != MemCmd::WriteClean;
+    if (snoop_caches) {
         // forward to all snoopers but the source
         std::pair<MemCmd, Tick> snoop_result;
         if (snoopFilter) {
@@ -558,12 +754,28 @@ CoherentXBar::recvAtomic(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id)
             auto sf_res =
                 snoopFilter->lookupRequest(pkt, *slavePorts[slave_port_id]);
             snoop_response_latency += sf_res.second * clockPeriod();
-            DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s %s 0x%x"\
-                    " SF size: %i lat: %i\n", __func__,
-                    slavePorts[slave_port_id]->name(), pkt->cmdString(),
-                    pkt->getAddr(), sf_res.first.size(), sf_res.second);
-            snoop_result = forwardAtomic(pkt, slave_port_id, InvalidPortID,
-                                         sf_res.first);
+            DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s SF size: %i lat: %i\n",
+                    __func__, slavePorts[slave_port_id]->name(), pkt->print(),
+                    sf_res.first.size(), sf_res.second);
+
+            // let the snoop filter know about the success of the send
+            // operation, and do it even before sending it onwards to
+            // avoid situations where atomic upward snoops sneak in
+            // between and change the filter state
+            snoopFilter->finishRequest(false, pkt->getAddr(), pkt->isSecure());
+
+            if (pkt->isEviction()) {
+                // for block-evicting packets, i.e. writebacks and
+                // clean evictions, there is no need to snoop up, as
+                // all we do is determine if the block is cached or
+                // not, instead just set it here based on the snoop
+                // filter result
+                if (!sf_res.first.empty())
+                    pkt->setBlockCached();
+            } else {
+                snoop_result = forwardAtomic(pkt, slave_port_id, InvalidPortID,
+                                             sf_res.first);
+            }
         } else {
             snoop_result = forwardAtomic(pkt, slave_port_id);
         }
@@ -571,21 +783,48 @@ CoherentXBar::recvAtomic(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id)
         snoop_response_latency += snoop_result.second;
     }
 
+    // set up a sensible default value
+    Tick response_latency = 0;
+
+    const bool sink_packet = sinkPacket(pkt);
+
     // even if we had a snoop response, we must continue and also
     // perform the actual request at the destination
-    PortID master_port_id = findPort(pkt->getAddr());
+    PortID master_port_id = findPort(pkt->getAddrRange());
+
+    if (sink_packet) {
+        DPRINTF(CoherentXBar, "%s: Not forwarding %s\n", __func__,
+                pkt->print());
+    } else {
+        if (forwardPacket(pkt)) {
+            // make sure that the write request (e.g., WriteClean)
+            // will stop at the memory below if this crossbar is its
+            // destination
+            if (pkt->isWrite() && is_destination) {
+                pkt->clearWriteThrough();
+            }
+
+            // forward the request to the appropriate destination
+            auto master = masterPorts[master_port_id];
+            response_latency = backdoor ?
+                master->sendAtomicBackdoor(pkt, *backdoor) :
+                master->sendAtomic(pkt);
+        } else {
+            // if it does not need a response we sink the packet above
+            assert(pkt->needsResponse());
+
+            pkt->makeResponse();
+        }
+    }
 
     // stats updates for the request
     pktCount[slave_port_id][master_port_id]++;
     pktSize[slave_port_id][master_port_id] += pkt_size;
     transDist[pkt_cmd]++;
 
-    // forward the request to the appropriate destination
-    Tick response_latency = masterPorts[master_port_id]->sendAtomic(pkt);
 
-    // Lower levels have replied, tell the snoop filter
-    if (snoopFilter && !pkt->req->isUncacheable() && !system->bypassCaches() &&
-        pkt->isResponse()) {
+    // if lower levels have replied, tell the snoop filter
+    if (!system->bypassCaches() && snoopFilter && pkt->isResponse()) {
         snoopFilter->updateResponse(pkt, *slavePorts[slave_port_id]);
     }
 
@@ -597,6 +836,30 @@ CoherentXBar::recvAtomic(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id)
         response_latency = snoop_response_latency;
     }
 
+    // If this is the destination of the cache clean operation the
+    // crossbar is responsible for responding. This crossbar will
+    // respond when the cache clean is complete. An atomic cache clean
+    // is complete when the crossbars receives the cache clean
+    // request (CleanSharedReq, CleanInvalidReq), as either:
+    // * no cache above had a dirty copy of the block as indicated by
+    //   the satisfied flag of the packet, or
+    // * the crossbar has already seen the corresponding write
+    //   (WriteClean) which updates the block in the memory below.
+    if (pkt->isClean() && isDestination(pkt) && pkt->satisfied()) {
+        auto it = outstandingCMO.find(pkt->id);
+        assert(it != outstandingCMO.end());
+        // we are responding right away
+        outstandingCMO.erase(it);
+    } else if (pkt->cmd == MemCmd::WriteClean && isDestination(pkt)) {
+        // if this is the destination of the operation, the xbar
+        // sends the responce to the cache clean operation only
+        // after having encountered the cache clean request
+        auto M5_VAR_USED ret = outstandingCMO.emplace(pkt->id, nullptr);
+        // in atomic mode we know that the WriteClean packet should
+        // precede the clean request
+        assert(ret.second);
+    }
+
     // add the response data
     if (pkt->isResponse()) {
         pkt_size = pkt->hasData() ? pkt->getSize() : 0;
@@ -616,12 +879,13 @@ CoherentXBar::recvAtomic(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id)
 Tick
 CoherentXBar::recvAtomicSnoop(PacketPtr pkt, PortID master_port_id)
 {
-    DPRINTF(CoherentXBar, "recvAtomicSnoop: packet src %s addr 0x%x cmd %s\n",
-            masterPorts[master_port_id]->name(), pkt->getAddr(),
-            pkt->cmdString());
+    DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s\n", __func__,
+            masterPorts[master_port_id]->name(), pkt->print());
 
     // add the request snoop data
+    unsigned int pkt_size = pkt->hasData() ? pkt->getSize() : 0;
     snoops++;
+    snoopTraffic += pkt_size;
 
     // forward to all snoopers
     std::pair<MemCmd, Tick> snoop_result;
@@ -629,9 +893,9 @@ CoherentXBar::recvAtomicSnoop(PacketPtr pkt, PortID master_port_id)
     if (snoopFilter) {
         auto sf_res = snoopFilter->lookupSnoop(pkt);
         snoop_response_latency += sf_res.second * clockPeriod();
-        DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s %s 0x%x SF size: %i lat: %i\n",
-                __func__, masterPorts[master_port_id]->name(), pkt->cmdString(),
-                pkt->getAddr(), sf_res.first.size(), sf_res.second);
+        DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s SF size: %i lat: %i\n",
+                __func__, masterPorts[master_port_id]->name(), pkt->print(),
+                sf_res.first.size(), sf_res.second);
         snoop_result = forwardAtomic(pkt, InvalidPortID, master_port_id,
                                      sf_res.first);
     } else {
@@ -656,7 +920,7 @@ CoherentXBar::recvAtomicSnoop(PacketPtr pkt, PortID master_port_id)
 std::pair<MemCmd, Tick>
 CoherentXBar::forwardAtomic(PacketPtr pkt, PortID exclude_slave_port_id,
                            PortID source_master_port_id,
-                           const std::vector<SlavePort*>& dests)
+                           const std::vector<QueuedSlavePort*>& dests)
 {
     // the packet may be changed on snoops, record the original
     // command to enable us to restore it between snoops so that
@@ -690,7 +954,7 @@ CoherentXBar::forwardAtomic(PacketPtr pkt, PortID exclude_slave_port_id,
 
         // response from snoop agent
         assert(pkt->cmd != orig_cmd);
-        assert(pkt->memInhibitAsserted());
+        assert(pkt->cacheResponding());
         // should only happen once
         assert(snoop_response_cmd == MemCmd::InvalidCmd);
         // save response state
@@ -729,14 +993,11 @@ CoherentXBar::recvFunctional(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id)
 {
     if (!pkt->isPrint()) {
         // don't do DPRINTFs on PrintReq as it clutters up the output
-        DPRINTF(CoherentXBar,
-                "recvFunctional: packet src %s addr 0x%x cmd %s\n",
-                slavePorts[slave_port_id]->name(), pkt->getAddr(),
-                pkt->cmdString());
+        DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s\n", __func__,
+                slavePorts[slave_port_id]->name(), pkt->print());
     }
 
-    // uncacheable requests need never be snooped
-    if (!pkt->req->isUncacheable() && !system->bypassCaches()) {
+    if (!system->bypassCaches()) {
         // forward to all snoopers but the source
         forwardFunctional(pkt, slave_port_id);
     }
@@ -744,7 +1005,19 @@ CoherentXBar::recvFunctional(PacketPtr pkt, PortID slave_port_id)
     // there is no need to continue if the snooping has found what we
     // were looking for and the packet is already a response
     if (!pkt->isResponse()) {
-        PortID dest_id = findPort(pkt->getAddr());
+        // since our slave ports are queued ports we need to check them as well
+        for (const auto& p : slavePorts) {
+            // if we find a response that has the data, then the
+            // downstream caches/memories may be out of date, so simply stop
+            // here
+            if (p->trySatisfyFunctional(pkt)) {
+                if (pkt->needsResponse())
+                    pkt->makeResponse();
+                return;
+            }
+        }
+
+        PortID dest_id = findPort(pkt->getAddrRange());
 
         masterPorts[dest_id]->sendFunctional(pkt);
     }
@@ -755,10 +1028,16 @@ CoherentXBar::recvFunctionalSnoop(PacketPtr pkt, PortID master_port_id)
 {
     if (!pkt->isPrint()) {
         // don't do DPRINTFs on PrintReq as it clutters up the output
-        DPRINTF(CoherentXBar,
-                "recvFunctionalSnoop: packet src %s addr 0x%x cmd %s\n",
-                masterPorts[master_port_id]->name(), pkt->getAddr(),
-                pkt->cmdString());
+        DPRINTF(CoherentXBar, "%s: src %s packet %s\n", __func__,
+                masterPorts[master_port_id]->name(), pkt->print());
+    }
+
+    for (const auto& p : slavePorts) {
+        if (p->trySatisfyFunctional(pkt)) {
+            if (pkt->needsResponse())
+                pkt->makeResponse();
+            return;
+        }
     }
 
     // forward to all snoopers
@@ -787,42 +1066,51 @@ CoherentXBar::forwardFunctional(PacketPtr pkt, PortID exclude_slave_port_id)
     }
 }
 
-unsigned int
-CoherentXBar::drain(DrainManager *dm)
+bool
+CoherentXBar::sinkPacket(const PacketPtr pkt) const
 {
-    // sum up the individual layers
-    unsigned int total = 0;
-    for (auto l: reqLayers)
-        total += l->drain(dm);
-    for (auto l: respLayers)
-        total += l->drain(dm);
-    for (auto l: snoopLayers)
-        total += l->drain(dm);
-    return total;
+    // we can sink the packet if:
+    // 1) the crossbar is the point of coherency, and a cache is
+    //    responding after being snooped
+    // 2) the crossbar is the point of coherency, and the packet is a
+    //    coherency packet (not a read or a write) that does not
+    //    require a response
+    // 3) this is a clean evict or clean writeback, but the packet is
+    //    found in a cache above this crossbar
+    // 4) a cache is responding after being snooped, and the packet
+    //    either does not need the block to be writable, or the cache
+    //    that has promised to respond (setting the cache responding
+    //    flag) is providing writable and thus had a Modified block,
+    //    and no further action is needed
+    return (pointOfCoherency && pkt->cacheResponding()) ||
+        (pointOfCoherency && !(pkt->isRead() || pkt->isWrite()) &&
+         !pkt->needsResponse()) ||
+        (pkt->isCleanEviction() && pkt->isBlockCached()) ||
+        (pkt->cacheResponding() &&
+         (!pkt->needsWritable() || pkt->responderHadWritable()));
+}
+
+bool
+CoherentXBar::forwardPacket(const PacketPtr pkt)
+{
+    // we are forwarding the packet if:
+    // 1) this is a cache clean request to the PoU/PoC and this
+    //    crossbar is above the PoU/PoC
+    // 2) this is a read or a write
+    // 3) this crossbar is above the point of coherency
+    if (pkt->isClean()) {
+        return !isDestination(pkt);
+    }
+    return pkt->isRead() || pkt->isWrite() || !pointOfCoherency;
 }
 
+
 void
 CoherentXBar::regStats()
 {
-    // register the stats of the base class and our layers
     BaseXBar::regStats();
-    for (auto l: reqLayers)
-        l->regStats();
-    for (auto l: respLayers)
-        l->regStats();
-    for (auto l: snoopLayers)
-        l->regStats();
-
-    snoops
-        .name(name() + ".snoops")
-        .desc("Total snoops (count)")
-    ;
-
-    snoopFanout
-        .init(0, snoopPorts.size(), 1)
-        .name(name() + ".snoop_fanout")
-        .desc("Request fanout histogram")
-    ;
+
+    snoopFanout.init(0, snoopPorts.size(), 1);
 }
 
 CoherentXBar *