嵌入式編程需注意的Cache機(jī)制及其原理

1 Cache的原理

Cache即高速緩存，它的出現(xiàn)基于兩種因素：一、CPU的速度和性能提高很快，而主存速度較低且價(jià)格高；二、程序執(zhí)行的局部性特點(diǎn)。將速度較快而容量有限的SRAM構(gòu)成Cache，可以盡可能發(fā)揮CPU的高速度。CPU與外設(shè)交換數(shù)據(jù)時(shí)經(jīng)常用到buffer(緩沖)，這與緩存極其相似，只不過Cache是為了提高CPU和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換速度而設(shè)計(jì)，而buffer是為了提高內(nèi)存和硬盤(或其他I／O設(shè)備)之間的數(shù)據(jù)交換速度而設(shè)計(jì)的。

Baidu快照(cache．baidu．com)就是一個(gè)緩存的例子，其作用與計(jì)算機(jī)CPU緩存有類似之處。 Cache的原理如圖1所示。



在讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)的同時(shí)CPU將數(shù)據(jù)保存到Cache數(shù)據(jù)區(qū)，同時(shí)更新Cache映射表(保存地址信息，表示該地址的數(shù)據(jù)是否已在Cache數(shù)據(jù)區(qū)，即是否命中)。這樣，CPU再次讀取該地址數(shù)據(jù)時(shí)，就可以直接從Cache提取。讀Cache的時(shí)間遠(yuǎn)小于直接讀內(nèi)存，可提高CPU讀取數(shù)據(jù)的效率。

Cache數(shù)據(jù)區(qū)有成塊讀取的特性(Cache映射表保存的地址是塊地址，節(jié)省空間，也符合程序執(zhí)行的局部性特點(diǎn))。Cache數(shù)據(jù)區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于內(nèi)存空間，就需要相應(yīng)的替代算法。比如最近最少使用算法，可將新數(shù)據(jù)替代使用頻率低的數(shù)據(jù)，同時(shí)更新映射表信息?？梢酝葡耄珻ache空間越大，命中率越高。

寫內(nèi)存需要直接更新內(nèi)存。如果映射表存在該地址信息，還需要同時(shí)更新Cache數(shù)據(jù)區(qū)。這種Cache訪問方式就稱作“直寫”，Samsung公司的ARM7微處理器S3CA510B就是這種方式。以下所討論的Cache問題除非特殊說明，否則都是“直寫”方式。

2 嵌入式編程時(shí)需注意的問題

2.1訪問外設(shè)使用Cache的問題

在訪問內(nèi)存時(shí)使用Cache是不會(huì)出現(xiàn)問題的，但如果訪問數(shù)據(jù)易變外設(shè)(數(shù)據(jù)不依賴于CPU寫操作而改變)時(shí)使用Cache就可能出現(xiàn)問題。問題在于外設(shè)數(shù)據(jù)的改變不僅僅依靠CPU寫操作，CPU第一次讀取外設(shè)數(shù)據(jù)時(shí)將外設(shè)的數(shù)據(jù)和地址信息保存到Cache，第二次讀取外設(shè)數(shù)據(jù)時(shí)就可能有問題出現(xiàn)。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)直接從Cache提取，而外設(shè)的數(shù)據(jù)可能有改變。

因此，在訪問易變外設(shè)時(shí)要禁止使能Cache，直接讀取外設(shè)數(shù)據(jù)到CPU，而不經(jīng)過Cache的任何環(huán)節(jié)，即保證不改變Cache映射表和Cache數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容。

S3C4510B的SYSCFG SFR(特殊功能寄存器)有用來控制Cache使能或不使能的，通過對(duì)該SFR的設(shè)置可暫時(shí)禁止Cache或重新恢復(fù)Cache功能。這樣就可以在讀取外設(shè)前禁止Cache，讀取結(jié)束后重新使能Cache，保證了外設(shè)數(shù)據(jù)讀取的正確性。寫數(shù)據(jù)到外設(shè)時(shí)采用“直寫”方式，更沒有問題。

2.2開關(guān)Cache引發(fā)的新問題

在Cache開關(guān)期間，如果有另一個(gè)進(jìn)程／任務(wù)訪問內(nèi)存，在此期間寫內(nèi)存并且該內(nèi)存在Cache中已有映射(注意，它也是被禁止Cache的，所以它不會(huì)同時(shí)更新Cache數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容)，那么在Cache重新使能之后Cache數(shù)據(jù)區(qū)的信息已經(jīng)過時(shí)了，而Cache映射表還是Cache禁止之前的狀態(tài)，如果CPU此時(shí)讀數(shù)據(jù)就會(huì)得到過時(shí)的數(shù)據(jù)。這樣看來，引發(fā)的問題范圍更廣了，連內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀寫正確性都無法保證。與內(nèi)存泄漏的影響來比較，內(nèi)存泄漏如果是一顆定時(shí)炸彈，那么Cache問題就可以說是隨時(shí)隨地都可能踩上的雷區(qū)，因?yàn)槌绦蛞坏╅_始就可能引發(fā)爆炸。

如圖2所示，Cache使能時(shí)Cache映射表和Cache數(shù)據(jù)區(qū)保存了內(nèi)存的數(shù)據(jù)信息，這是CPU訪問內(nèi)存時(shí)通過圖中實(shí)線箭頭通路實(shí)現(xiàn)的。內(nèi)存的信息可以與Cache的信息保持一致。



Cache禁止時(shí)的情況有所變化。由圖2中虛線箭頭通路直接進(jìn)行內(nèi)存訪問，且地址0x00處的數(shù)據(jù)由55變?yōu)锳A，但Cache區(qū)的信息仍為之前的狀態(tài)。很明顯，Cache的數(shù)據(jù)是應(yīng)該廢棄的，但是Cache映射表仍保存0x00的地址信息。Cache重新使能后，CPU再次讀取0x00地址的數(shù)據(jù)，由于Cache仍是命中，直接從Cache數(shù)據(jù)區(qū)中提取數(shù)據(jù)，這樣讀出來的數(shù)據(jù)就是0x55了。

由S3C4510B數(shù)據(jù)手冊(cè)第4節(jié)的第21頁可知：通過對(duì)SYSCFG寄存器的CE位置1或清0可使能／關(guān)閉Cache，但是Cache沒有內(nèi)容自動(dòng)刷新功能，在重新使能Cache時(shí)需考慮Cache數(shù)據(jù)的正確性。

為了證實(shí)以上說法，循環(huán)執(zhí)行如下測(cè)試程序：