I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute r  E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   11 ,   No .   2 ,  A p r il   2 0 2 1 ,   p p .   1 0 4 3 ~1 0 5 2   I SS N:  2088 - 8708 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 1 1 i 2 . p p 1 0 4 3 - 1 0 5 2          1043       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   Ca che cohere ncy   co ntroller for  ME SI pro toco l bas ed  on FP G A       M a y s   K .   F a eq,   Sa f a a   S.  O m r a n   El e c tri c a l  En g in e e rin g   T e c h n ica l  Co ll e g e ,   M id d le T e c h n ica l  Un iv e rsity ,   Ira q       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   A p r   1 5 ,   2 0 2 0   R ev i s ed   Sep   3 ,   2 0 2 0   A cc ep ted   Sep   1 5 ,   2 0 2 0       In   m o d e rn   tec h n iq u e s  o f   b u il d in g   p ro c e ss o rs,  m a n u f a c tu re s  u sin g   m o re   th a n   o n e   p ro c e ss o r  i n   t h e   in teg ra ted   c ircu it   (c h i p )  a n d   e a c h   p ro c e ss o r  c a ll e d   a   c o re .   T h e   n e w   c h ip s  o f   p ro c e ss o rs  c a ll e d   a   m u lt i - c o re   p ro c e ss o r.   T h is  n e w  d e sig n   m a k e s  th e   p ro c e ss o rs  to   wo rk   sim u lt a n o u sly   f o r  m o re   th a n   o n e   jo b   o r   a ll   th e   c o re s  w o rk in g   in   p a ra ll e l  f o r  th e   sa m e   jo b .   A ll   c o re s  a re   sim il a r  in   th e ir  d e sig n ,   a n d   e a c h   c o re   h a s  it s  o w n   c a c h e   m e m o r y ,   w h il e   a ll   c o re s  sh a re s   th e   sa m e   m a in   m e m o r y .   S o   i f   o n e   c o re   r e q u e ste s   a   b lo c k   o f  d a t a   f ro m   m a in   m e m o r y   to   it s c a c h e ,   th e re   sh o u ld   b e   a   p ro to c o l   to   d e c lare   th e   situ a t io n   o f   th is   b lo c k   in   th e   m a in   m e m o r y   a n d   o th e r  c o re s.T h is  is  c a ll e d   th e   c a c h e   c o h e re n c y   o r  c a c h e   c o n siste n c y   o f   m u lt i - c o re .   In   th is  p a p e r  a   sp e c ial  c ircu it   i s  d e sig n e d   u sin g   v e ry   h ig h   sp e e d   in teg ra ted   c ircu it   h a rd w a re   d e sc rip ti o n   lan g u a g e   ( V HD L )   c o d in g   a n d   im p lem e n ted   u si n g   IS E  X il i n x   so f tw a r e .   T h e   p ro t o c o l   u se d   in   th is  d e sig n   is  th e   m o d ifi e d ,   e x c lu siv e ,   sh a r e d   a n d   in v a li d   ( M ES I )   p ro t o c o l.   T e st  re su lt s  we re   ta k e n   b y   u sin g   tes t  b e n c h ,   a n d   sh o w e d   a ll   th e   sta tes   o f   th e   p ro t o c o l  a re   w o rk in g   c o rre c tl y .   K ey w o r d s :   C ac h e  co h er e n c y   FP GA   ME SI  p r o to co l   MI P S p r o ce s s o r   VHDL   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ma y s   K.   Faeq   E lectr ical  E n g i n ee r i n g   T ec h n i ca l Co lleg e   Mid d le  T ec h n ical  U n i v er s it y   B ag h d ad ,   I r aq   E m ail:  m a y s o o m a y s @ g m a il.c o m       1.   I NT RO D UCT I O N   P r o ce s s o r s   to d ay   ar e  m a n u f ac t u r ed   as  m u lti - co r e  p r o ce s s o r s ;  all  co r es  ar e  s i m ilar   i n   t h eir   d esig n   a n d   ea ch   h as  i ts   ca c h e  m e m o r y   a n d   all  o f   t h ese  co r es  ar e  in   o n e  c h ip .   A ll  t h ese   co r es  s h ar e d   o n e  m ai n   m e m o r y   lo ca ted   o u ts id e  th e  c h ip   [ 1 - 4 ] .   I n   th e s e  k in d s   o f   s y s te m s ,   t h e  ca ch e  p la y s   v er y   i m p o r tan t  p ar t  in   th a t  k i n d   o f   p r o ce s s o r   d esig n .   T h e  p r o ce s s o r   ask s   f o r   d ata  f ir s tl y   f r o m   th e  ca ch e  an d   i f   th e  d ata  is   n o t  p r esen t  in   t h e   p r o ce s s o r   ca ch e  th e  p r o ce s s o r   w i ll  f e tch   t h at  d ata  f r o m   t h e  m ai n   m e m o r y   a n d   p u t  i t  in   th e  ca ch e.   T h ese  d ata   m a y   b e  e x is it  i n   a n o th er s   co r e   an d   th at  co r e  w o r k s   o n   t h at  d ata  an d   ch a n g e s   its   v al u e,   h e n ce   th e  d ata  ex is it  in   th e  m ain   m e m o r y   ar e  in v alid   an d   th e  d ata  m u s t  b e  u p d ated .   Hen ce   a  p r o to co l  o f   ca ch e  co h er en c y   s h o u ld   b e  ap p lied   f o r   th e  ca ch es o f   t h e  c o r es [ 5 - 8 ] .     So   th at   a  s n o o p in g   p r o to co l  s h o u ld   b e  ap p lied   to   en s u r e  th at  n o   co r e  w il l  u s e   in v alid   d ata  [ 9 ] .   Dif f er en t  p r o to co ls   w er e  u s ed   f o r   d if f er en t  s y s te m .   On e  o f   t h ese  p r o to co ls   is   t h e  ME SI  p r o to co l  w h ic h   f ir s tl y   u s ed   i n   th e   P en ti u m   p r o ce s s o r   [ 1 0 - 1 2 ] .   I n   m o d if ied ,   e x clu s iv e,   s h ar ed   an d   in v alid   ( ME S I )   p r o t o co l  th e  d ata  r ep r esen ted   b y   a   b lo ck   in   t h e  ca ch e   w ill   b e  in   s t a t e   M o d i f i e d   o r   E x c lu s iv e   o r   S h a r e d   o r   I n v a li d .   A   c a ch e   c o n t r o ll e r   w il l  m ak e s   s n o o p i n g   f o r   al l   t h e   c a ch es   o f   e a c h   c o r e   a n d   u p d a t e s   i t s   s t a t e   f o r   e x a m p l e   f r o m   I n v a l i d   t o   s h a r e d   o r   f r o m   s h a r e d   t o   e x c l u s i v e   a n d   s o   o n   [ 1 3 ,   1 4 ] .   Hen ce   t h e  p r o b le m   i n   t h is   k i n d   o f   s y s te m   i s   to   d esi g n   a  ca ch e  co h er en c y   cir cu i t to   s n o o p e  th e  s y s te m   an d   ap p ly   th e  u s ed   p r o to co l   w h ich   i s   in   th i s   d esig n   is   th e  M E SI  p r o t o co l  [ 1 5 ] .   T h e  d esig n   i m p le m en ted   u s i n g   v er y   h ig h   s p ee d   in te g r ated   cir cu it  h ar d w ar e  d escr ip tio n   lan g u ag e  ( VHD L )   t h en   i n t eg r ated   w it h   f ield       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  11 ,   No .   2 ,  A p r il 2 0 2 1   :   1 0 4 3   -   1052   1044   p r o g r am m ab le  g ate  ar r a y s   ( FP GA )   Xilin x   Sp ar tan   6   [ 1 5 ] .   T h e  r es u lts   f o r   th e  d if f er en t  p ar ts   o f   th e  p r o ce s s o r   ar e  p r esen ted   in   th e  f o r m   o f   t est  b en ch   w a v e f o r m   an d   t h e  ar ch itect u r e  o f   th e  s y s te m   i s   d em o n s tr ated   an d   th e   r esu lt  w a s   m atc h ed   w it h   th eo r etica l r esu lt.       2.   RE S E ARCH   M E T H O D   2 . 1 .     T he  ca che   T h e  ca ch e  is   a  s tatic  m e m o r y   w h ile  t h e  m e m o r y   w h ich   i s   u s ed   in   t h e  m ai n   m e m o r y   is   o f   t y p e  d y n a m ic.   T h e  ca ch e  i s   f aster   t h an   th e  R A M  i n   m ai n   m e m o r y   b y   a  f ac to r   o f   ( 8 - 1 0 )   ti m e s ,   b u t  th e  s ize  o f   th e   ca ch e  is   g r ea ter   th a n   R A M.   T o   s to r e  o n e  b it  o f   d ata  in   ca c h e  it  r eq u ir es  6   tr an s is to r s   w h il e  in   d y n a m ic  R AM   it  r eq u ir es  o n l y   o n e  tr an s is to r .   B ec au s e  o f   th at  th e  d es ig n er s   p u t  a  s m all  s ize  f r o m   t h e  f ast er   m e m o r y   ( ca ch e)   in s id e  t h e  p r o ce s s o r   an d   a  lar g e  s ize  o f   d an a m ic  R A M  o u ts id e  th e  ch ip   o f   t h e  p r o ce s s o r   in   t h e  m o t h er   b o ar d .   T h e  p r o ce s s o r   al w a y s   w ill   as k   f o r   d ata  f r o m   th e   ca ch e   a n d   i f   it   is   e x is it s   i n   th e   ca ch e   t h e  p r o ce s s o r   w ill   f etch   th e  d ata  in   o n e  b u s   c y cle  ( 2   clk s )   a n d   th i s   ca s e  i s   ca lled   r ea d   h it .   I f   t h e  d ata  n o t  ex i s it  i n   th e  ca c h e   t h e   p r o ce s s o r   m u s t  f etc h   it f r o m   m ai n   m e m o r y   w i th   e x tr a  clo ck   cy c les a n d   th is   ca s e  is   ca lled   r ea d   m i s s   [ 1 6 - 2 0 ] .           Fig u r e  1 .   Dir ec t  m ap p ed   ca ch e  p r o to c o ls       2 . 2 .     Arc hite ct ure   T h er e  ar e   th r ee   d if f er en t  t y p es   o f   ca ch e  o r g an izatio n .   I n   th i s   p ap er   th e  d i r ec t  m ap p ed   o r g an izatio n   i s   u s ed   b ec au s e  it  is   ea s y   an d   s i m p le  i n   d esi g n   [ 2 1 ,   2 2 ] .   Fig u r e  1   s h o w s   a  s i m p le  d ir ec t  m ap p ed   ca ch e   o r g an izatio n   d esig h ed   f o r   th e   p u r p o s e  o f   test in g   t h e  ca ch e   co h er en ce   p r o to co l.   A s   s h o w n   i n   Fi g u r e  1 ,   th e   m ai n   m e m o r y   ad d r ess   i s   d iv id ed   in   to   t h r ee   p ar ts ,   w h ich   th e y   ar e  t h e  o f f s e t,   in d e x   a n d   th e   tag .   I n   th e   d esig n ed   ca ch e  th e  ad d r es is   p ar tit io n ed   to   4 - b its   f o r   t h e  o f f s et  a s   b its   ( 0 - 1 )   f o r   b y te  s elec t a n d   b its   ( 2 - 3 )   f o r   w o r d   s elec t   an d   b it ( 4 - 5 )   ar e  u s ed   f o r   in d e x .   T h e  r est 2 6 - b its   ar e  u s ed   f o r   th e  ta g   [ 2 3 - 2 5 ] .   Fig u r e  2   s h o w s   t h e  d e s ig n   o f   t h e  u s ed   d ir ec t - m ap p ed   ca ch e.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       C a ch e  co h eren cy   co n tr o ller   fo r   MES I   p r o to co l b a s ed   o n   F P GA   ( Ma ys  K .   F a eq )   1045       Fig u r e  2 .   Desig n   d ir ec t  m ap p ed   ca ch e       3.   M E SI   P RO T O CO L   T h is   p r o to co l  co n s is ts   o f   f o u r   d if f er en t  s tate s ,   w h ich   th e y   a r e  in v a li d   ( I ) ,   s h ar e d   ( S),   ex c l u s i v e  ( E ) ,   an d   m o d i f ied   ( M) .   T h is   p r o to co l  is   a n   ad v a n ce   to   t h e   p r ev i o u s   M SI  p r o to co l.   T h e  n e w   s t ate  ex cl u s iv e   ( E )   is   ad d ed   in   o r d er   to   r e d u ce   th e  n u m b er   o f   b u s   m e s s a g es .   T h e   E x cl u s i v e  s tate  m ea n s   t h at  t h e  b l o ck   o r   ti m e  o f   d ata  a  v alid   in   th e   ca ch e   an d   m ai n   m e m o r y   a n d   n o t  v alid   in   o t h er   ca c h es  , w h ic h   g i v e  a  f le x ib ilit y   to   th e   p r o ce s s o r   to   m o d if y   it s   ca c h e  w it h o u t  a  n ee d     to   s n o o p   o th er   ca ch es   [ 2 6 - 2 9 ] .   Fig u r e  3   s h o w s   a  s tate   tr an s itio n   d iag r a m   f o r   th e  ME SI  p r o to co l.  I n   th e  lef t  s id e  o f   t h e  f i g u r e  r ep r esen ts   th e  p r o ce s s o r   r eq u est s   an d   t h e  ac tio n   o f   th e  ca c h e  co n tr o ller   cir cu i t,  w h ile  t h e  r ig h t  p ar t  o f   t h e  f i g u r e  r ep r esen ts   t h e  b u s   r eq u est s   an d   co r r esp o n d in g   ac tio n s   [ 3 0 ,   3 1 ] .             Fig u r e  3 .   State  tr an s i tio n   o f   t h e  ME SI  p r o to c o l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  11 ,   No .   2 ,  A p r il 2 0 2 1   :   1 0 4 3   -   1052   1046   Fig u r e  4   s h o w s   s i m p li f ied   ME SI  s tate  d iag r a m   w it h   tr a n s it io n   s tate s   [ 3 2 ] .   I n   th is   s ec tio n ,   it  is   ex p lain ed   th e   r esu lts   o f   r e s ea r ch   a n d   at  th e   s a m e  t i m e   is   g iv en   t h e  co m p r e h e n s i v e  d is c u s s i o n .   R e s u l ts   ca n   b e   p r esen ted   in   f i g u r es,  g r ap h s ,   t ab les  an d   o th er s   t h at  m a k e  th e  r ea d er   u n d er s tan d   ea s il y   [ 2 ,   5] .   T h e  d is cu s s io n   ca n   b e  m ad e  in   s e v er al  s u b - c h ap ter s .           Fig u r e  4 .   Si m p li f ied   ME SI  s ta te  d iag r a m   w it h   tr an s itio n   s tat es       4.   SYST E M   DE SI G N   4 . 1 .     VH DL   t o p_ lev el  i m ple m e nta t io n   A   VH DL   co m p o n en t s   o f   MI P S  p r o ce s s o r   w h ic h   w as  d esi g n ed   b y   [ 3 3 ]   is   co m b in ed   w it h   t h e  VHD L   co m p o n e n t s   o f   t h is   d es ig n ,   b y   u s in g   ( Xili n x   I SE  Desi g n   Su ite  1 4 . 1 )   all  th ese  co m p o n en ts   ar e  co n n ec ted   to g eth er   i n   o r d er   to   co m p o s e  th e  to p   lev e l,  later   a  te s t  b en c h   is   w r itte n   an d   u s ed   to   e n ter   th e  2 - b it s   o f   ca ch e   s ize  co n tr o ller   an d   ex ec u te  a  w r itte n   test   p r o g r a m .   Fig u r e  5   s h o w s   T o p _ lev el  an d   Fi g u r e  6   Sh o w s   th e   s ch e m atic  v ie w   o f   to p _ lev el  c o m p o n en t s   f o r   th e  d esi g n ed   s y s te m .   I t  co n s is t s   o f   t h r ee   p ar ts :  p ip elin ed   MI P S,  d ata  m e m o r y   s y s te m   an d   i n s tr u ctio n   m e m o r y   s y s te m .           Fig u r e  5 .   T o p _ lev el   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       C a ch e  co h eren cy   co n tr o ller   fo r   MES I   p r o to co l b a s ed   o n   F P GA   ( Ma ys  K .   F a eq )   1047       Fig u r e  6 .   Sch e m atic  v ie w   o f   t o p - lev el  co m p o n e n t s       4 . 2 .     Desig n c a che  co here ncy   I n   th is   w o r k   t w o   m icr o p r o ce s s o r s   MI P S1   an d   MP I S2   w er e  d esig n ed   an d   ea c h   w i th   s ep ar at e  ca ch e.   A  ca ch e  co h er en c y   co n tr o ller   is   d esig n ed   w h ic h   co n s is t o f   t w o   p ar ts ,   th e  co h er en c y   tag   a n d   c o h er en ce   co n tr o ller   b y   u s i n g   F SM .   A ll   t h ese   co m p o n en ts   ar e  co n n ec ted   to g eth er   o n   c h ip s   a n d   h av e   t h e  m ai n   m e m o r y   o f   c h ip .   Fig u r e  7   s h o w s   t h e  d esig n   f o r   th e  ca ch e  co h er en c y   p r o to co l .   T ag   ca ch e:  Data   tag   ca ch e  h as  2 8 - b its   ( 2 6   tag   b its ,   2 - b its   f o r   ME SI  p r o to co l)   f o r   ea ch   d ata  ca c h e  li n e.   ME SI  b its   ar e  r eset   w h en   t h e  m ac h in e  r e s tar t.  I n s tr u c t io n   ta g   ca c h e  co n ta in s   2 7 - b its ,   it  i s   s i m ilar   to   i n s tr u ct io n   tag   ca ch e  in   s i n g le   co r e  [ 3 4 ] .   Fig u r e  8   s h o w s   th e  R T L   C o h er en ce   ta g   an d   co h er en ce   co n tr o ller .   I n   th i s   p ap er   a  7 - b its   w h er e   u s ed   to   in d icate   d i f f er e n t  s tates  f o r   ME SI  p r o to co l,  tw o   b its   f o r   M( Mo d i f y ) ,   t w o   b its   f o r   E   ( E x clu s i v e) ,   o n e  b it  f o r   S(Sh ar ed )   an d   tw o   b its   f o r   I   ( in v al id ) .   T ab le   1   s h o w s   ME SI  s tates.  Fi g u r e  9   s h o w s   t h e  co h er en c y   ta g   w it h   7 - b it s   f o r   ME SI  s tates.  T ab le  2   s h o w s   th e  d i f f er e n t  s ate s   o f   ME SI  P r o to c o l.           Fig u r e  7 .   Desi g n   ca ch e  co h er e n c y   p r o to co l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  11 ,   No .   2 ,  A p r il 2 0 2 1   :   1 0 4 3   -   1052   1048       Fig u r e  8 .   R T L   co h er en ce   tag   a n d   co h er en ce   co n tr o ller       T ab le  1 .   ME SI  s tates   M   ( M o d i f y )   E  ( Ex c l u si v e )   S   ( S h a r e d )   I   ( I n v a l i d )   M O D I F Y   00   N O T   M O D I F I E D   01   M O D I F I ED   F I E L D   M P 1   10   M O D I F I ED   F I E L D   M P   EX C L U S I V E   00   N O T   EX C L U S I V E   01   EX C L U S I V E  F I E L D   M P 1   10   EX C L U S I V E  F I E L D   M P 2   S H A R ED   0   N O T   S H A R ED   1   S H A R ED   V A LI D   00   V A LI D   B O TH   01   N O T   V A LI D   M P 1   ( I N   V A LI D   1 )   10   N O T   V A LI D   M P 2   ( I N   V A LI D   2 )           Fig u r e  9 .   C o h er en c y   tag   w i th   7 - b its   ME SI  s tate s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       C a ch e  co h eren cy   co n tr o ller   fo r   MES I   p r o to co l b a s ed   o n   F P GA   ( Ma ys  K .   F a eq )   1049   T ab le  2 .   Sates o f   ME SI  p r o to c o l   M P 1   H I T   R e a d   ( D i r e c t   R e a d )   S t a t e   M   ( M o d i f y )   E   ( Ex c l u si v e )   S   ( S h a r e d )   I   ( I n v a l i d )   S t 0   Ou t M E S I1   0 0     00   00   01   0   0   00   00     S t 1   00   01   00   01   00   00   0   0   1   00   00   00   S t 2   Ou t M E S I1   00   00   10   00   0   1   00   00   S t 3   Ou t M E S I1   10   00   00   10   0   0   00   00     M P 1   H I T   W r i t e   ( D i r e c t   W r i t e )   S t a t e   M   ( M o d i f y )   E   ( Ex c l u si v e )   S   ( S h a r e d )   I   ( I n v a l i d )     S t 8         Ou t M E S I1   00   00   00   00   01   01   00   01   10   00   00   00   0   0   0   1   0   0   00   00   00   00   00   00   S t 9   Ou t M E S I1   01   01   00   00   0   0   00   00     M P 1   M I S S   R e a d   ( D i r e c t   R e a d )   S t a t e   M   ( M o d i f y )   E   ( Ex c l u si v e )   S   ( S h a r e d )   I   ( I n v a l i d )   0 S t 1 2   00   01   0   00     M P 1   M I S S   W r i t e   ( D i r e c t   w r i t e )   S t a t e   M   ( M o d i f y )   E   ( Ex c l u si v e )   S   ( S h a r e d )   I   ( I n v a l i d )   S t 1 3   01   00   0   00     M P 2   H I T   R e a d   ( D i r e c t   R e a d )   S t a t e   M   ( M o d i f y )   E   ( Ex c l u si v e )   S   ( S h a r e d )   I   ( I n v a l i d )   S t 4   Ou t M E S I2   00   00   00   10   0   0   00   00     S t 5   00   10   00   10   00   00   0   0   1   00   00   00   S t 6   Ou t M E S I2   00   00   01   00   0   1   00   00   S t 7   Ou t M E S I2   01   00   00   01   0   0   00   00     M P 2   H I T   W r i t e   ( D i r e c t   W r i t e )   S t a t e   M   ( M o d i f y )   E   ( Ex c l u si v e )   S   ( S h a r e d )   I   ( I n v a l i d )     S t 1 0         Ou t M E S I2   00   00   00   00   10   10   00   01   10   00   00   00   0   0   0   1   0   0   00   00   00   00   00   00   S t 1 1   Ou t M E S I2   01   10   00   00   0   0   00   00     M P 2   M I S S   R e a d   ( D i r e c t   R e a d )   S t a t e   M   ( M o d i f y )   E   ( Ex c l u si v e )   S   ( S h a r e d )   I   ( I n v a l i d )   S t 1 4   00   10   0   00     M P 2   M I S S   W r i t e   ( D i r e c t   w r i t e )   S t a t e   M   ( M o d i f y )   E   ( Ex c l u si v e )   S   ( S h a r e d )   I   ( I n v a l i d )   S t 1 5   10   00   0   00   S t 4 0 0   D O N OTHIN G   0  :  M I P S 1 ;  0  :  M I P S 2       4 . 3 .     RT L   s che m a t ic   of   m u lt i - co re   M I P S pro ce s s o r  des ig n   T w o   s i n g le   co r e  MI P S  p r o ce s s o r s   ar e  co m b in ed   to g et h er   t o   g en er ate   a   m u ltico r e  MI P S  p r o ce s s o r .   E ac h   s i n g le  co r e  is   a  p ip elin e d   MI P S  p r o ce s s o r   an d   h as  i ts   o w n   L 1   ca c h e  m e m o r y .   B o th   co r es  s h ar ed   t h e   m ai n   m e m o r y .   M u ltico r e   p r o ce s s o r   ex p lo its   t h e  p ar allel  a v ailab le  i n   p r o g r a m   to   allo w  its   co r es  to   w o r k   to g eth er   f o r   th e  s a m e  j o b ,   th er ef o r   p ar allel  p r o g r am   is   n e ed ed   to   r ea ch   b etter   p er f o r m a n ce   f r o m   m u l tico r e  p r o ce s s o r .   Sin ce   ea ch   co r e  h as  L 1   ca ch e,   t h en   t h e   s a m e  m e m o r y   ad d r ess   m a y   b e  f o u n d   in   b o th   co r es.  T h is   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  11 ,   No .   2 ,  A p r il 2 0 2 1   :   1 0 4 3   -   1052   1050   m a y   ca u s e   co n s is te n c y   p r o b le m s   i n   d ata  ca ch e.   I n s tr u ct io n   ca ch e  d o es  n o t  h av e  t h is   p r o b lem   b ec au s e  t h e   p r o ce s s o r   ca n n o t  m o d if y   p r o g r a m   i n s tr u ctio n s .   I n   t h i s   p ap er   s n o o p in g - b ased   co h er en c y   is   u s ed   as  a  ca ch e  co h er en c y   m ec h a n i s m ,   an d   th e  co h er en c y   p r o to co l  u s ed   is   ME SI  p r o to c o l .   Fig u r e   1 0   s h o w s   t h e  R T L   c ac h e   co h er en c y   co n tr o ller   f o r   ME SI  p r o to co l .           Fig u r e  1 0 .   R T L   ca ch e  co h er en c y   co n tr o ller   f o r   ME SI  p r o to c o l       5.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O NS   T o   v er if y   t h e  v al id it y   o f   t h e  d esig n   t h at  w a s   b u il t  in   th is   p a p er ,   m u ltip le  p r o g r a m s   w er e  w r itte n   f o r   th e  p u r p o s e  o f   ex a m i n i n g   t h e  w o r k   o f   t h e  ME SI  p r o to co l  b y   th e  co h er en c y   co n tr o ller .   T h e   r esu lt s   w er e  f o u n d   to   b e  id en tical  to   t h e  d i f f er en t   1 5   s tates  t h at  d e s ig n ed   i n   t h e   p r o to co l,  Fig u r e  1 1   s h o w s   t h e  test   b e n ch   r e s u l ts   f o r   s o m e  o f   t h ese  s tates.           Fig u r e  1 1 .   T est  p r o g r am   e x ec u tio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       C a ch e  co h eren cy   co n tr o ller   fo r   MES I   p r o to co l b a s ed   o n   F P GA   ( Ma ys  K .   F a eq )   1051   6.   CO NCLU SI O N   I n   th is   p ap er ,   a  p r e - d esig n ed   MI P S  ty p e  p r o ce s s o r   w as  u s e d   in   th e  d ep ar tm e n t;  t h is   p r o ce s s o r   is   u s ed   to   b u ild   an o t h er   p r o ce s s o r   co r r esp o n d in g   to   it  s o   th at   to   h av e   t w o   co r es  an d   a  ca c h e   w a s   b u i lt  f o r   ea ch   p r o ce s s o r   an d   th e   t y p e   o f   m a p p in g   w er e   u s ed   d ir ec t  m ap p ed   t y p e  f o r   ea s e  o f   d esi g n .   T h en   b u ild in g   a   cir cu i t   o f   co h er en ce   co n t r o ller   i n   o r d er   to   co n tr o l  th e   r ea d in g   a n d   w r iti n g   p r o ce s s es   f o r   p r o ce s s o r s   w h e n   r ea d i n g   an d   w r iti n g   f r o m   t h e  s h ar ed   m e m o r y   o f   ea ch   o f   th e  p r o ce s s o r s .   A   lin k   to   all  th e  d esig n ed   p ar ts ,   an d   s ev er al  p r o g r am s   w er e  w r i tten   f o r   th e   p u r p o s e  o f   o p er atin g   an d   ex a m i n in g   t h e  ME SI  p r o to co l,  an d   th e  r esu lt s   w er e  f o u n d   to   b e  co m p atib le  w it h   th e  to p ic  d esi g n   a n d   t h e  p u r p o s e  o f   th i s   r esear ch   f o r   u s e  in   t h e  s c ien ti f ic   p u r p o s es o f   m a s ter ’ s   s t u d en t s   in   ad v a n ce d   co m p u ter   tech n iq u e  L ab .       RE F E R E NC E S   [1 ]   P .   D.  De v i   a n d   T .   Ra v in d ra ,   '' I m p lem e n tatio n   o f   M ES I  P ro t o c o l  Us in g   V e ril o g , "   In ter n a ti o n a l  J o u rn a l  o f  A d v a n c e d   Res e a rc h   in   C o mp u ter   a n d   C o mm u n ica t io n   E n g i n e e rin g ,   In d ia,  v o l.   5 ,   n o .   1 0 ,   p p .  2 2 8 - 2 3 2 ,   2 0 1 6 .   [2 ]   G .   E.   M o o re ,   “ Cra m m in g   M o re   Co m p o n e n ts  o n t o   In teg ra ted   Circu i ts,”  El e c tro n ics ,   v o l .   3 8 ,   no .   8 ,   p p .   1 1 4 ,   1 9 6 5 .   [3 ]   X .   L a i,   C.   L iu ,   Z.   Wan g   a n d   Q.  F e n g ,   “ A   Ca c h e   Co h e re n c e   P ro t o c o l  Us in g   Distrib u ted   Da ta  De p e n d e n c e   V io lat i o n   Ch e c k in g   in   T L S , ”   2 0 1 2   S e c o n d   In ter n a ti o n a l  Co n fer e n c e   o n   In telli g e n t  S y ste m  De sig n   a n d   En g in e e ri n g   Ap p li c a ti o n ,   S a n y a ,   Ha in a n ,  2 0 1 2 ,  pp .  5 - 10 .   [4 ]   A .   Ro s,  M .   E .   A c a c io ,   a n d   Jo s´ e   M .   G a rc ´ ıa,  " A   d irec t  c o h e re n c e   p ro to c o l  f o r  m a n y - c o re   c h ip   m u lt ip r o c e ss o rs,"   P a ra ll e l  a n d   Distr ib u ted   S y ste m s, ”   IEE E  T r a n s a c ti o n s  o n   P a ra ll e l  a n d   Distrib u ted   S y ste ms ,   v o l.   2 1 ,   n o .   1 2 ,     p p .   1 7 7 9 - 1 7 9 2 ,   2 0 1 0 .   [5 ]   A .   S a p a ro n   a n d   F .   N.  Ra z lan ,   " Ca c h e   Co h e re n c e   P ro to c o ls  in   M u lt i - P ro c e ss o r, "   In   In ter n a ti o n a l  c o n fer e n c e   o n   Co mp u ter   S c ien c e   a n d   I n fo rm a ti o n   S y ste ms   ( ICS IS ) ,  Du b a i  (UA E),   2 0 1 4 ,   p p .   1 7 - 18 .   [6 ]   Y.   J.  Ja n g   a n d   W .   W.   Ro ,   " Ev a lu a ti o n   o f   c a c h e   c o h e r e n c e   p r o to c o l s  o n   m u lt i - c o re   sy ste m s  w it h   li n e a r  w o rk   lo a d s ,"   2 0 0 9   I S EC S   In ter n a ti o n a l  C o ll o q u iu m  o n   Co mp u ti n g ,   Co mm u n ica ti o n ,   C o n tr o l,   a n d   M a n a g e me n t ,   S a n y a ,    2 0 0 9 ,  p p .   3 4 2 - 3 4 5 .   [7 ]   J.   L i,   P .   Ya n g ,   N.   Di n g ,   H.   G u a n ,   a n d   Jia n p e i,   " A   Ne w   K in d   o f   H y b rid   Ca c h e   Co h e re n c e   P r o to c o l  f o r  M u lt i p ro c e ss o r  w it h   D - Ca c h e , "   2 0 1 1   In ter n a ti o n a l  Co n fer e n c e   o n   Fu tu re   Co m p u ter   S c ien c e   a n d   Ed u c a ti o n ,   X i' a n ,  2 0 1 1 ,  p p .   6 4 1 - 6 4 5 , .   [8 ]   N.   Ch a tu rv e d i,   P .   S h a rm a ,   a n d   S .   G u ru n a ra y a n a n ,   " A n   a d a p ti v e   c o h e re n c e   p ro t o c o l  w it h   a d a p ti v e   c a c h e   f o r  m u lt i - c o r e   a r c h i t e c t u r e , "   2 0 1 3   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   A d v a n c e d   E l e c t r o n i c   S y s t e m s   ( I C A E S ) ,   P i l a n i ,  2013 ,  pp.   197 - 201 .   [ 9 ]   J .   L .   H e n n e s s y   a n d   D .   A .   P a t t e r s o n ,   " C o m p u t e r   a r c h i t e c t u r e :   a   q u a n t i t a t i v e   a p p r o a c h , "   E l s e v i e r ,   F o u r t h   E d i t i o n ,   2 0 1 2 .   [1 0 ]   M .   D a l u i ,   T .   S o m ,   S .   B a n s a l ,   S .   P a n t ,   a n d   B .   K.   S i k d a r ,   " M A S I :   A n   e v i c t i o n   a w a r e   c a c h e   c o h e r e n c e   p r o t o c o l   f o r   C M P s , "   2 0 1 6   S i x t h   I n t e r n a t i o n a l   S y m p o s i u m   o n   E m b e d d e d   C o m p u t i n g   a n d   S y s t e m   D e s i g n   ( I S E D ) ,   P a t n a ,  2016 ,  pp.   249 - 253 .   [1 1 ]   Z.   Al - Waisi  a n d   M .   O.   A g y e m a n ,   " A n   o v e rv ie w   o f   o n - c h ip   c a c h e   c o h e re n c e   p ro t o c o ls,"   2 0 1 7   I n tel li g e n t  S y ste ms   Co n fer e n c e   ( In telli S y s),   L o n d o n ,  2 0 1 7 ,   p p .   3 0 4 - 3 0 9 .    [1 2 ]   D.   J.   L il ja,   " Ca c h e   c o h e re n c e   in   larg e - sc a le  sh a re d - m e m o r y   m u lt ip r o c e ss o rs:  Iss u e s  a n d   c o m p a riso n s,"   ACM   Co mp u t in g   S u rv e y s ( CS UR) ,   v o l.   2 5 ,   n o .   3 ,   p p .   3 0 3 - 3 3 8 ,   1 9 9 3 .   [1 3 ]   T.   M.   A u stin ,   “ DIV A :  a   re li a b le  su b stra te  f o r  d e e p   su b m icro n   m ic ro a rc h it e c tu re   d e sig n , ”   M ICRO - 3 2 .   Pro c e e d i n g s   o f  t h e   3 2 n d   An n u a l  ACM /IE EE   I n ter n a ti o n a l  S y mp o siu m  o n   M icr o a rc h it e c tu re ,   Ha if a ,   Isra e l ,  1 9 9 9 ,   p p .   1 9 6 - 207 .   [1 4 ]   A .   A sa d u z z a m a n   a n d   K.   K.   C h id e ll a ,   " A   n o v e l  d irec to ry   b a se d   h y b rid   c a c h e   c o h e re n c e   p ro t o c o l  f o r   sh a re d   m e m o r y   m u lt ip ro c e ss o r, "   2 0 1 6   IEE E   In ter n a ti o n a l  S y mp o si u m o n   Ph a se d   A rr a y   S y ste ms   a n d   T e c h n o l o g y   ( P AS T ),   W a lt h a m ,   MA ,  2 0 1 6 ,  pp.   1 - 6 .   [1 5 ]   D.  L .   P e rry ,   " V HD L :  P ro g ra m m i n g   b y   Ex a m p le,"   4 th   e d . ,   Ame ric a :  M c Gr a w - Hill ,   2 0 0 2 .   [1 6 ]   A.   S ra v a n th i,   C.   R.   Ra o ,   K.   K.  Ra ju ,   a n d   L .   Ra m b a b u ,   " Im p le m e n tatio n   o f   M ES I  P ro t o c o l   u sin g   V e ril o g , "   In ter n a t io n a l  Res e a rc h   J o u r n a l   o f   En g in e e rin g   a n d   T e c h n o lo g y   ( IRJET ) ,   v o l.   0 6 ,   n o .   6 ,   p p .  1 7 6 3 - 1 7 7 7 ,   2 0 1 9 .   [1 7 ]   N.   B.   M a ll y a ,   G .   P a ti l,   a n d   B.   R .   A v e e n d ra n ,   " S im u latio n   b a se d   p e rf o r m a n c e   stu d y   o f   c a c h e   c o h e re n c e   p ro t o c o ls,"   2 0 1 5   IE EE   I n ter n a t io n a l  S y mp o siu m o n   Na n o e lec tro n ic a n d   I n f o rm a ti o n   S y ste ms ,   In d o re ,  2 0 1 5 ,  p p .   1 2 5 - 1 3 0 .   [1 8 ]   A.   D.   Jo sh i  a n d   N.   Ra m a su b ra m a n ian ,   " Co m p a riso n   o f   si g n if ica n t  in   m u lt ico re   c a c h e   c o h e re n c e , "   2 0 1 5   In ter n a t io n a l  C o n fer e n c e   o n   Gr e e n   Co m p u ti n g   a n d   I n ter n e t  o f  T h i n g s ( ICGCIo T ) ,   No i d a ,   2 0 1 5 ,   p p .   1 08 - 1 1 2 .   [1 9 ]   A.   D.   Jo sh i,   S .   In d ra jee t,   N.   Ra m a su b ra m a n ian ,   a n d   B.   S.   Be g u n ,   " A n a l y sis  o f   m u lt i - c o re   c a c h e   c o h e re n c e   p ro t o c o ls  f ro m   e n e r g y   a n d   p e rf o rm a n c e   p e rsp e c ti v e , "   2 0 1 7   I n te rn a ti o n a l  Co n fer e n c e   o n   Rec e n t  In n o v a ti o n s  i n   S ig n a l   p ro c e ss in g   a n d   Emb e d d e d   S y ste ms   ( RIS E) ,   Bh o p a l ,  2 0 1 7 ,  pp.   3 8 1 - 3 8 8 .   [2 0 ]   Z.   W a n g   a n d   R.   B.   L e e ,   ” A   No v e l  c a c h e   a rc h it e c tu re   w it h   e n h a n c e d   p e rf o rm a n c e   a n d   se c u rit y , ”   2 0 0 8   4 1 st   IEE E/ ACM   In ter n a ti o n a l  S y mp o s iu m o n   M icr o a rc h i tec tu re ,   L a k e   Co m o ,  2 0 0 8 ,   p p .   8 3 - 93 .   [2 1 ]   P.   S h re e   a n d   A n it h a   V . ,   “ De sig n   a n d   im p le m e n tatio n   o f   d irec t  m a p p e d   c a c h e   m e m o r y   w it h   sa m e   t a g   b it   in f o rm a ti o n ,”   In ter n a t io n a l   jo u rn a l  o f  c o mp u ter   sc ien c e   a n d   mo b il e   c o mp u ti n g ,   v o l.   4 ,   n o .   6 ,   p p .   9 7 8 -   9 8 3 ,   2 0 1 5 .   [2 2 ]   D.   A .   P a tt e riso n ,   J.   I.   He n n e ss y ,   " Co m p u ter o rg a n iza ti o n   a n d   d e sig n , "   4 t h   e d it i o n ,  M o rg a n   Ka u fma n ,  1 9 9 8 .   [2 3 ]   A.   Ag a r wa l,   R.   S i m o n i,   J.   He n n e ss y ,   a n d   M .   Ho ro w it z ,   " A n   e v a lu a ti o n   o f   d irec to ry   s c h e m e s   f o r  Ca c h e   c o h e re n c e , "   1 9 8 8   T h e   1 5 th   An n u a l  I n ter n a t io n a l  S y mp o si u m o n   Co m p u ter   Arc h it e c tu re .   Co n fer e n c e   Pro c e e d in g s ,   Ho n o lu l u ,   HI ,   USA ,  1988 ,  p p .   2 8 0 - 2 9 8 .   [2 4 ]   S.   H.   P u g sle y ,   J.   B.   S p ju t,   D.   W.   Ne ll a n s,  a n d   R.   Ba las u b ra m o n ian ,   " S W E L :Ha rd w a re   c a c h e   c o h e re n c e   p ro to c o ls t o   m a p   sh a re d   d a ta  o n t o   sh a re d   c a c h e s,"   2 0 1 0   1 9 th   I n ter n a ti o n a l  Co n fer e n c e   o n   P a ra ll e l  Arc h it e c tu re s  a n d   Co mp il a ti o n   T e c h n i q u e s ( PA CT ) ,   V ien n a ,  2 0 1 0 ,  p p .   4 6 5 - 4 7 5 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  11 ,   No .   2 ,  A p r il 2 0 2 1   :   1 0 4 3   -   1052   1052   [2 5 ]   S.   Al - Ho th a li ,   S . S   o o m ro ,   K.   T a n v ir ,   a n d   R .   T u li ,   " S n o o p y   a n d   Dire c to ry   B a se d   Ca c h e   Co h e re n c e   P ro to c o ls:  A   Crit ica l  A n a l y sis, "   J o u rn a l   o f  In f o rm a ti o n   &   Co mm u n ica ti o n   T e c h n o l o g y ,  v o l.   4 ,   n o .   1 ,   p p .  1 -   1 1 ,   2 0 1 0 .   [2 6 ]   M.   M .  K .   M a rti n ,   M .   D .   Hill ,   a n d   D.   W o o d ,   " T o k e n   c o h e re n c e :  d e c o u p li n g   p e rf o rm a n c e   a n d   c o rre c tn e ss , "   3 0 th   An n u a l  I n ter n a ti o n a l  S y mp o siu m  o n   Co m p u ter   Arc h i tec tu re ,   2 0 0 3 .   Pro c e e d in g s,   S a n   Die g o ,   CA ,   US A ,    2 0 0 3 ,  p p .   1 8 2 - 1 9 3 .    [2 7 ]   S.   S u n ,   H.   A n ,   a n d   J.   Ch e n ,   " Ca c h e   Co h e re n c e   M e th o d   f o r  Im p r o v in g   M u lt i - th re a d e d   A p p li c a ti o n s  o n   M u lt ic o re   S y st e m s,"   2 0 1 4   6 th   In ter n a ti o n a l  Co n fer e n c e   o n   M u lt ime d i a ,   Co mp u ter   Gr a p h ics   a n d   Br o a d c a stin g ,   Ha ik o u ,    2 0 1 4 ,  p p .   47 - 50 .   [2 8 ]   R.   E.   A h m e d   a n d   M .   K.   D h o d h i,   " Dire c to ry - B a se d   c a c h e   c o h e re n c e   p r o t o c o l  f o r  p o w e r - a w a re   c h ip - m u lt ip ro c e ss o rs,"   2 0 1 1   2 4 t h   Ca n a d ia n   Co n fer e n c e   o n   El e c trica l   a n d   Co m p u ter   En g in e e rin g   ( C CECE ) ,   Nia g a ra   F a ll s,  ON ,  2 0 1 1 ,  p p .   1 0 3 6 - 1 0 3 9 .   [2 9 ]   D.   P.   Ka u r  a n d   V .   S u l o c h a n a ,   " De sig n   a n d   I m p le m e n tatio n   o f   Ca c h e   Co h e re n c e   P ro to c o l  f o r  Hi gh - S p e e d   M u lt i p ro c e ss o r  S y ste m , "   2 0 1 8   2 n d   I EE E  I n ter n a ti o n a l   Co n fer e n c e   o n   Po we r  El e c tro n ics ,   In tel li g e n t  Co n tro l  a n d   En e rg y   S y ste ms   ( ICPE ICES ) ,   De l h i,   I n d ia ,  2 0 1 8 ,  pp.   1 0 9 7 - 1 1 0 2 .   [3 0 ]   K.   V e n k a tes h w a r,   " F o r m a l  V e rif i c a ti o n   o f   a   M ES I - b a se d   Ca c h e   I m p le m e n tatio n , "   (M a ste r  o f   S c ien c e )  Tex a s  A & M   Un iv e rsit y , A g g le a d ,   Ho u st o n - Da ll a s,  2 0 1 7 .   [3 1 ]   J .   Ha n d y ,   " T h e   Ca c h e   M e m o r y   Bo o k , "   Aca d e mic   Pre ss ,   1 9 9 8 .   [3 2 ]   G .   L u n a ,   H.  G ó m e z ,   a n d   B.   Be n ít e z ,   " M ES I  Ca c h e   Co h e re n c e   S im u lato r  f o r  T e a c h in g   P u r p o se s,"   CL EI  El e c tro n i c   J o u rn a l ,   v o l .   1 2 ,   n o .   1 ,   p p .   1 - 7 ,  2 0 0 9 .   [3 3 ]   H.   S.   M a h m o o d ,   " V HD L   I m p le m e n tatio n   o f   a   P ip e li n e d   RIS C  P r o c e ss o r  f o r  Ed u c a ti o n a l  P u r p o se s,"   M S c . th e sis,  Co ll e g e   o f   El e c tri c a l  a n d   El e c tro n ic E n g in e e rin g   T e c h n iq u e s,  Ba g h d a d ,   Ira q ,   2 0 1 4 .   [3 4 ]   S.   S.   Om ra n ,   A .   J.   Ib a d a ,   " F P GA   i m p le m e n tatio n   o f   M IP S   RIS C  p ro c e ss o r  f o r  e d u c a ti o n a l  p u r p o se s,"   J o u rn a l  o f  Un ive rs it y   o f  Ba b y lo n,   v o l .   2 4 ,   n o .   7 ,   p p .   1 7 4 5 - 17 6 1 ,   2 0 1 6 .       B I O G RAP H I E S   O F   AUTH O RS       M a y s  K ifa h   Fa e q   w a s  b o rn   in   Kirk u k ,   Ira q   in   1 9 9 3 .   S h e   g ra d u a ted   f ro m   A l - Q a la m   Un iv e rsit y   c o ll e g e   in   2 0 1 6 ,   a n d   n o w   stu d y in g   m a ste r  a t  E lec tri c a l  En g in e e ri n g   Co ll e g e / M id d le  T e c h n ica l  Un iv e rsit y ,   Ba g h d a d ,   Ira q ,   h e r   m a in   in tere st  in   Co m p u ter  A rc h it e c tu re   De sig n ,   Co m p u ter  e n g in e e rin g ,   e m b e d d e d   sy st e m   a n d   d e sig n .         S a fa a   S .   O m r a n   w a s  b o rn   in   Ba g h d a d ,   Ira q   in   1 9 5 6 .   He   g ra d u a ted   f ro m   Un iv e rsit y   o f   Ba g h d a d   in   1 9 7 8 ,   a n d   t h e n   h e   g o t  t h e   M S c   f ro m   th e   sa m e   Un iv e r sit y   in   1 9 8 4 .   He   is  n o w   a   p ro f e ss o r   w o rk in g   a t  th e   El e c tri c a l  En g in e e rin g   Co ll e g e / M id d le  T e c h n ica l  Un iv e rsit y ,   Ba g h d a d ,   Ira q .   H is   m a in   in tere st  w o rk in g   re s e a rc h e s  a re   in   th e   f ield   o f   m i c ro p ro c e ss o r  d e sig n   f o r  e m b e d d e d   s y ste m s,  Im a g e   p ro c e ss in g   a n d   c ry p to g ra p h y   s y ste m   d e si g n .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.