4. MESI 写命中验证

验证目标

构造一个缓存行处于 M（Modified） 状态的场景，执行一次本地写命中，检查两件事：

• 写操作只更新本地缓存数据，不产生任何总线事务（无 BusRd/BusRdX/BusUpgr/Flush 等）。
• 写完成后该行状态保持 M，数据被更新为新值。

状态与事件关系

最小可复现实现

用一个简化的 MESI 缓存模型：单核、单行、带总线事务计数器。先通过一次写未命中把行带入 M 状态，再执行本地写命中并断言。

#include <stdio.h>
#include <assert.h>

typedef enum { I, S, E, M } mesi_t;

typedef struct {
    mesi_t state;
    int    data;
    int    bus_txn;   /* 总线事务计数 */
} cache_t;

/* 写未命中：分配行并进入 M（简化：直接置 M，计一次总线事务） */
void write_miss(cache_t *c, int val) {
    c->bus_txn++;          /* BusRdX */
    c->state = M;
    c->data  = val;
}

/* 本地写命中：M 状态下直接更新，不产生总线事务，状态保持 M */
void local_write_hit(cache_t *c, int val) {
    assert(c->state == M);  /* 前置条件：行处于 M */
    c->data = val;          /* 只改本地数据 */
    /* 状态保持 M，不触发任何总线事务 */
}

int main(void) {
    cache_t c = { .state = I, .data = 0, .bus_txn = 0 };

    /* 步骤1：写未命中，进入 M */
    write_miss(&c, 0x10);
    assert(c.state == M);
    int txn_after_miss = c.bus_txn;   /* 应为 1 */

    /* 步骤2：本地写命中 */
    local_write_hit(&c, 0x20);

    /* 验证1：状态保持 M */
    assert(c.state == M);
    /* 验证2：数据已更新 */
    assert(c.data == 0x20);
    /* 验证3：无新增总线事务 */
    assert(c.bus_txn == txn_after_miss);

    printf("PASS: state=M, data=0x%X, bus_txn=%d (no new txn)\n",
           c.data, c.bus_txn);
    return 0;
}

运行与判定

gcc -Wall -o mesi_m_hit mesi_m_hit.c && ./mesi_m_hit

通过条件：程序无断言失败，输出 PASS: state=M, data=0x20, bus_txn=1 (no new txn)。其中 bus_txn 在本地写命中前后保持不变，即证明 M 状态下的本地写不产生总线事务。

常见问题

• 若把 local_write_hit 写成先判断状态再决定是否发总线请求，务必确认 M 分支不递增 bus_txn，否则断言会失败。
• 真实 RTL 验证中，对应检查点是：写命中 M 时监视总线接口无新请求，且目录/一致性状态机不产生状态迁移。