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标题: ARM Cache研究（2） [打印本页]

作者: look_w 时间: 2017-9-24 19:02 标题: ARM Cache研究（2）

ICACHE
当系统上电或重起（Reset）的时候，ICaches功能是被关闭的，我们必须往lcr bit置1去开启它，lcr bit在CP15协处理器中控制寄存器1的第12位（关闭ICaches功能则是往该位置0）。ICaches功能一般是在MMU开启之后被使用的（为了降低MMU查表带来的开销）,但有一点需要注意，并不是说MMU被开启了ICaches才会被开启，正如本段刚开始讲的，ICaches的开启与关闭是由lcr bit所决定的，无论MMU是否被开启，只要lcr bit被置1了，ICaches就会发挥它的作用。
大家是否还记得discriptor（描述符）中有一个C bit我们称之为Ctt,它是指明该描述符描述的内存区域内的内容（可以是指令也可以是数据）是否可以被Cache，若Ctt=1,则允许Cache,否则不允许被Cache。于是CPU读取指令出现了下面这些情况：

如果CPU从Caches中读取到所要的一条指令（cache hit）且这条指令所在的内存区域是Cacheble的（该区域所属描述符中Ctt=1）,则CPU执行这条指令并从Caches中返回（不需要从内存中读取）。
若CPU从Caches中读取不到所要的指令（cache miss）而这条指令所在的内存区域是Cacheble的（同第1点），则CPU将从内存中读取这条指令，同时，一个称为“8-word linefill”的动作将发生，这个动作是把该指令所处区域的8个word写进ICaches的某个entry中，这个entry必须是没有被锁定的（对锁定这个操作感兴趣的朋友可以找相关的资料进行了解）
若CPU从Caches中读取不到所要的指令（cache miss）而这条指令所在的内存区域是UnCacheble的（该区域所属描述符中Ctt=0），则CPU将从内存读取这条指令并执行后返回（不发生linefill）

通过以上的说明，我们可以了解到CPU是怎么通过ICaches执行指令的。你可能会有这个疑问，ICaches总共只有512个条目（entry），当 512个条目都被填充完之后，CPU要把新读取近来的指令放到哪个条目上呢？答案是CPU会把新读取近来的8个word从512个条目中选择一个对其进行写入，那CPU是怎么选出一个条目来的呢？这就关系到ICaches的替换法则（replacemnet algorithm）了。 ICaches的replacemnet algorithm有两种，一种是Random模式另一种Round-Robin模式，我们可以通过CP15协处理器中寄存器1的RR bit对其进行指定（0 = Random replacement 1 = Round robin replacement），如果有需要你还可以进行指令锁定（INSTRUCTION CACHE LOCKDOWN）。
虚拟cache

Cache 位于MMU前面靠近CPU称为逻辑CACHE又叫虚拟Cache。CPU可以直接访问CACHE的数据，而ARM 11（ARMV6）的结构是CACHE 在MMU后面CPU访问CACHE要通过MMU地址转换

在DM6446的core用的是哈佛结构，即把CACHE分为8K的D-CACHE（数据CACHE）和16K的I-cache(指令CACHE)
一个完整的CACHE分为CACHE控制器和CACHE存储器

例子

Davinci DM6446 D-cache行应为512行，cache存储器主要分为三个部分：目录存储段（driectory-story），状态信息段（status information）和数据项段（data section）每一行cache都包括这三部分。Cache用目录存储段来存储主存的地址，数据项段存放的是主存的数据，在cache中用状态信息段来记录状态信息，其中v表示有效位，d表示脏位，有效位记录当前cache行是活动的，cache行的数据和主存中的数据是一致的，处理器可以读取。脏位则表示cache行的数据和主存中的数据不一致。
在读写请求到达存储器前会被CACHE捕获，cache存储器将该请求分成三部分标签，组索引和数据索引域，cache通过组索引域确定可能包含地址和数据cache的行，cache存储器检查匹配的CACHE 行的状态标签，如果是V表示（cache hit）命中，否则cache失效（cache miss）在cache失效时从主存吧cache行考到CACHE存储器
主存中的部分内容存放在cache中的最简单方式是直接映射，在一个直接映射中，主存的地址唯一对应cache行，因为主存容量很大所以主存的很多地址映射到同一个cache行
见下图：

在DM6446 中内存为128M （bootargs 设为128M）8K的D-CACHE则128×1024/8 = 16384映射一个cache行。由于cache的速度大大大于低速的主存速度，因此需要写缓冲器。

Cache与DRAM存取的一致性
在CPU与主存之间增加了Cache之后，便存在数据在CPU和Cache及主存之间如何存取的问题。读写各有2种方式。

贯穿读出式(Look Through)
该方式将Cache隔在CPU与主存之间，CPU对主存的所有数据请求都首先送到Cache，由Cache自行在自身查找。如果命中，则切断CPU对主存的请求，并将数据送出；不命中，则将数据请求传给主存。
该方法的优点是降低了CPU对主存的请求次数，缺点是延迟了CPU对主存的访问时间。
旁路读出式(Look Aside)
在这种方式中，CPU发出数据请求时，并不是单通道地穿过Cache，而是向Cache和主存同时发出请求。由于Cache速度更快，如果命中，则 Cache在将数据回送给CPU的同时，还来得及中断CPU对主存的请求；不命中，则Cache不做任何动作，由CPU直接访问主存。
它的优点是没有时间延迟，缺点是每次CPU对主存的访问都存在，这样，就占用了一部分总线时间。
写穿式(Write Through)
任一从CPU发出的写信号送到Cache的同时，也写入主存，以保证主存的数据能同步地更新。
它的优点是操作简单，但由于主存的慢速，降低了系统的写速度并占用了总线的时间。
回写式(Copy Back)
为了克服贯穿式中每次数据写入时都要访问主存，从而导致系统写速度降低并占用总线时间的弊病，尽量减少对主存的访问次数，又有了回写式。
它是这样工作的：数据一般只写到Cache，这样有可能出现Cache中的数据得到更新而主存中的数据不变(数据陈旧)的情况。但此时可在Cache 中设一标志地址及数据陈旧的信息，只有当Cache中的数据被再次更改时，才将原更新的数据写入主存相应的单元中，然后再接受再次更新的数据。这样保证了 Cache和主存中的数据不致产生冲突。

ARM cache 策略
   Cache的写策略分为直写策略和回写策略。同时向cache行和相应的主存位置写数据，同时更新这两个地方的数据的方法称为直写策略（writethrough），把数据写入cache行，不写入主存的或者只有当cache被替换时或清理cache行时才写入主存的策略称为回写策略（writeback）。采用回写策略时，当处理器cache命中，只向cache存储器写数据，不写入主存，主存里的数据就和cache里不一致，cache里的数据是最新的，主存里的数据是早前的。这就用cache存储器信息状态标志位了，当向cache存储器里某行写数据时，置相应行的信息标志脏位为1，那么主控制器下次访问cache存储器就知道cache里有主存没有的数据了，把数据写回到主存中去。
   当一个cache访问失效时，cache控制器必须从当前有效行中取出一个cache行存储从主存中取到的信息，被选中替换的cache行称为丢弃者，如果这个cache行中脏位为1则应把该cache行中的数据回写到主存中，而替换策略决定了那个cache行会被替换，在arm926ejs中ARM支持两种策略：轮转策略和伪随机策略。轮转策略就是取当前cache行的下一行，伪随机策略是控制器随机产生一个值。
   当cache失效时，ARM采取两种方式分配cache行，一种是读操作（read-allocate）还有一种是读-写分配策略（read-write-allocate），当cache未命中时对于读操作策略，在对cache存储器读操作时才会分配cache行

全相联Cache
在全相联Cache中，存储的块与块之间，以及存储顺序或保存的存储器地址之间没有直接的关系。程序可以访问很多的子程序、堆栈和段，而它们是位于主存储器的不同部位上。
因此，Cache保存着很多互不相关的数据块，Cache必须对每个块和块自身的地址加以存储。当请求数据时，Cache控制器要把请求地址同所有地址加以比较，进行确认。
这种Cache结构的主要优点是，它能够在给定的时间内去存储主存器中的不同的块，命中率高；缺点是每一次请求数据同Cache中的地址进行比较需要相当的时间，速度较慢。
直接映像Cache
直接映像Cache不同于全相联Cache，地址仅需比较一次。
在直接映像Cache中，由于每个主存储器的块在Cache中仅存在一个位置，因而把地址的比较次数减少为一次。其做法是，为Cache中的每个块位置分配一个索引字段，用Tag字段区分存放在Cache位置上的不同的块。
单路直接映像把主存储器分成若干页，主存储器的每一页与Cache存储器的大小相同，匹配的主存储器的偏移量可以直接映像为Cache偏移量。Cache的Tag存储器(偏移量)保存着主存储器的页地址(页号)。
以上可以看出，直接映像Cache优于全相联Cache，能进行快速查找，其缺点是当主存储器的组之间做频繁调用时，Cache控制器必须做多次转换。
组相联Cache
组相联Cache是介于全相联Cache和直接映像Cache之间的一种结构。这种类型的Cache使用了几组直接映像的块，对于某一个给定的索引号，可以允许有几个块位置，因而可以增加命中率和系统效率。

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