Cache在POWERPC處理器板中的應(yīng)用

摘要：高速緩沖存儲(chǔ)器Cache技術(shù)是現(xiàn)代處理器設(shè)計(jì)中的核心技術(shù)，文中詳細(xì)討論了Cache如何應(yīng)用在POWERPC計(jì)算機(jī)板中。
關(guān)鍵詞：L1Cache；L2Cache；主存；命中率

Gibson提出高速緩存存儲(chǔ)器(Cache)技術(shù)后，1969年首先在IBM360／80計(jì)算機(jī)上得以實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)?，F(xiàn)在，這一技術(shù)不僅為大、中型計(jì)算機(jī)而且也為小型、微型計(jì)算機(jī)廣泛采用。解決主存與CPU的速度差異問題的技術(shù)措施有多種，設(shè)置Cache是提高存儲(chǔ)系統(tǒng)速度一個(gè)有效方法。 Cache是介于主存和CPU之間、速度數(shù)倍于主存而容量較小的快速存儲(chǔ)器，它的作用是使CPU能使用一個(gè)速度與CPU相當(dāng)，而容量與主存相同的存儲(chǔ)系統(tǒng)。使用這種方法可使微機(jī)系統(tǒng)在成本增加不大的前提下性能得到較大提高。
一般的處理器中只有一級Cache，它與主存儲(chǔ)器構(gòu)成一個(gè)兩級的存儲(chǔ)系統(tǒng)。一些高性能的處理器都采用兩級Cache，第一級Cache在CPU內(nèi)部，容量很小，速度很快；第二級Cache在主板上，容量較大，速度比第一級低5倍左右。
Cache與主存儲(chǔ)器相比容量較小，它所保存的信息只是主存內(nèi)容的一個(gè)子集。特別要注意的是，CPU與Cache之間的信息交換以“字”為單位，而Cache與主存之間的信息交換是以“塊”為單位，一個(gè)塊由若干字組成，是定長的。塊的大小通常取一個(gè)主存周期所訪問到的字節(jié)數(shù)。
當(dāng)CPU試圖讀取主存一個(gè)字時(shí)，發(fā)出此字內(nèi)存地址到Cache和主存，此時(shí)Cache控制邏輯依據(jù)地址進(jìn)行判斷此字當(dāng)前是否在Cache中。若是，此字立即遞交給CPU，否則，要用主存讀取周期把這個(gè)字從主存讀出送到CPU，與此同時(shí)把含有這個(gè)字的整個(gè)數(shù)據(jù)塊從主存讀出送到Cache中。由于程序的存儲(chǔ)器訪問具有局部性，當(dāng)為滿足一次訪問需求而取來一數(shù)據(jù)塊時(shí)，下面的多次訪問很可能讀取此塊中的其他字。

1 局部性原理和命中率
對大量典型程序運(yùn)行情況的分析結(jié)果表明，在一個(gè)較短的時(shí)間間隔內(nèi)，程序?qū)Υ鎯?chǔ)器的訪問不是任意的、隨機(jī)的，而是對某一局部范圍的存儲(chǔ)器地址頻繁訪問，對此范圍以外地址則訪問很少，這就是程序訪問的局部性。根據(jù)程序的局部性原理，可以在主存和CPU之間設(shè)置一個(gè)高速的容量相對較小的存儲(chǔ)器，把正在執(zhí)行的指令地址附近的一部分指令或數(shù)據(jù)從主存調(diào)入這個(gè)存儲(chǔ)器，供CPU在一段時(shí)間內(nèi)使用。這對提高程序的運(yùn)行速度有很大的作用。這個(gè)介于主存和CPU之間的高速小容量存儲(chǔ)器稱作高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)。CPU訪問存儲(chǔ)器時(shí)，首先檢查Cache，如果訪問的數(shù)據(jù)在Cache中，則CPU就能很快完成訪問，這種情況稱之命中。命中率越高，正確獲取數(shù)據(jù)的可靠性就越大。一般來說，Cache的命中率決定于Cache容量、Cache控制算法和Cache的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)較好的Cache系統(tǒng)，命中率應(yīng)存90％以上。至于沒有命中的數(shù)據(jù)，CPU只好直接從主存中獲取，同時(shí)也把它復(fù)制到Cache中，以備下次訪問。

2 Cache一致性與寫策略
在由Cache和主存儲(chǔ)器共同構(gòu)成的Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)中，從工作原理可知，CPU只對Cache某行信息進(jìn)行修改，而主存儲(chǔ)器內(nèi)容卻沒有修改，而其他的主控者(處理器、I／O控制器等)全由主存儲(chǔ)器得到過時(shí)的信息。同樣，若其他主控者修改主存儲(chǔ)器信息，而Cache卻沒有得到修改相應(yīng)行的通知，CPU會(huì)由Cache得到過時(shí)的信息。這兩方面都會(huì)導(dǎo)致Cache與主存容不一致，也就是Cache的一致性問題。
為了維護(hù)Cache的一致性必須從兩方面入手，一方面涉及到處理器所采用的Cache寫策略，另一方面涉及到處理器所采用的Cache一致性協(xié)議。
2．1 寫直達(dá)法(Write—Through)
中文譯名稱為寫貫通法。顧名思義，它的做法是當(dāng)Cache寫命中，Cache與主存同時(shí)發(fā)生寫修改。這種策略顯然較好地維護(hù)了Cache與主存的內(nèi)容一致性，但這并不等于說全部解決一致性問題。例如在多處理器系統(tǒng)中各CPU都有自己的Cache，一個(gè)主存塊若在多個(gè)Cache中都有一份拷貝的話，某個(gè)CPU以寫直達(dá)法來修改它的Cache和主存時(shí)，其他Cache中的原拷貝就過時(shí)了。即使在單處理器系統(tǒng)中，也有I／O設(shè)備不經(jīng)過Cache向主存寫入的情況。
2．2 寫回法(Write—Back)
當(dāng)CPU對Cache寫命中時(shí)，只修改Cache的內(nèi)容不立即寫入主存，只當(dāng)此行被換出時(shí)才寫回主存。這種策略使Cache在CPU-主存之間，不僅在讀方向而且在寫方向上都起到高速緩存作用。對一Cache行的多次寫命中都在Cache中快速完成修改，只是需要替換時(shí)才寫回主存，減少了訪問主存的次數(shù)從而提高了效率。
2．3 寫一次法(Write—Once)
寫一次法是一種基于寫回法又結(jié)合了寫直達(dá)法的寫策略，即寫命中和寫未命中的處理與寫回法基本相同，只是第一次寫命中時(shí)要同時(shí)寫入主存。這種方法主要用于某些處理器的片內(nèi)Cache。
L1Cache在POWERPC中的使用MPC755處理器內(nèi)部Cache的執(zhí)行有以下特點(diǎn)：
分別有兩個(gè)32-Kbyte的數(shù)據(jù)和指令Cache；
指令和數(shù)據(jù)Cache有8種設(shè)置聯(lián)系方式；
Cache的地址是物理尋址的，物理地址的標(biāo)簽儲(chǔ)藏在Cache的地址錄中；
每一種Cache的打開與設(shè)置，可以通過設(shè)置寄存器HID0和特殊的寄存器SPR來設(shè)置。
2．4 在POWERPC處理器中設(shè)置Cache
在Memory中設(shè)置WIMG。其中，WIM改變是在頁表方式和塊方式下進(jìn)行改變和設(shè)置的。
配置MMU寄存器，對MMU寄存器的塊模式進(jìn)行配置。
配置HID0寄存器的Cache管理化。

3 L2Cache在POWERPC中的使用
PPC755配置成1M的L2Cache，如下圖。

3．1 L2Cache的初始化
清除L2CR的L2E，L2CR地址為“1017”；
設(shè)置L2CR的參數(shù)；
置 L2CR[L2I]位，執(zhí)行L2Cahe的global_invalidata動(dòng)作；
判 L2CR[IP]位，如果為“1”，則表示global_invalidata動(dòng)作完成，否則繼續(xù)判，直到變?yōu)?ldquo;1”；
如果 L2CR[IP]位變?yōu)?ldquo;1”，則清除L2CR[L2I]位；
使能 L2Cache，設(shè)置L2CR[L2E]位為“1”。
3．2 2Cache有效性測試
在原有程序基礎(chǔ)上，初始化L2Cache，使能L1Cache和L2Cache；
運(yùn)行某段程序(或任務(wù))，通過設(shè)置輸出離散量的高低電平，觀察示波器波形長短，來判斷L2Cache的有效性。

4 結(jié)束語
在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，Cache技術(shù)有效地解決了處理器和存儲(chǔ)器速度問不匹配問題。通過對POWERPC處理器L1Cache與L2Cache的使用，使POW ERPC處理器的性能得到了很大的提高。