ARM存儲器之：高速緩沖存儲器Cache

程序員通過指令對寄存器中的Cache組內(nèi)行號進行操作。讀取格式A的寄存器c9，將返回最后一次寫入寄存器c9的值。將數(shù)據(jù)index寫入寄存器c9，就是對要鎖定的Cache行進行設(shè)置。當(dāng)用MCR指令向寄存器寫入數(shù)據(jù)時，執(zhí)行以下操作。

①當(dāng)下一次發(fā)生Cache未命中時，將預(yù)取的存儲器行存入Cache中與該行相對應(yīng)的組中編號為index的Cache行中。

②這時被鎖定的Cache塊包括序號為0～index－1的鎖定塊。當(dāng)發(fā)生Cache替換時，從編號為index到A－1的塊中選擇被替換的塊。

格式B的編碼如圖15.15所示。

程序員通過指令對寄存器中的Cache組內(nèi)行號進行操作。讀取格式B的寄存器c9，將返回最后一次寫入寄存器c9的值。將數(shù)據(jù)index寫入寄存器c9，就是對要鎖定的Cache行進行設(shè)置。當(dāng)用MCR指令向寄存器寫入數(shù)據(jù)時，執(zhí)行以下操作。

圖15.15格式B編碼

①當(dāng)L=0時，如果方式Cache未命中，將預(yù)取的存儲行存入Cache中與該行對應(yīng)的組中序號為index的Cache行中。

②當(dāng)L=1時，如果本次寫操作之前L=0，并且index值小于本次寫入的index，本次寫操作執(zhí)行的結(jié)果不可預(yù)知；否則，這時被鎖定的Cache塊包括序號為0～index－1的塊。當(dāng)發(fā)生Cache替換時，從序號為index～A－1的塊中選擇被替換的塊。

下面以鎖定塊N來說明要鎖定一個Cache塊的步驟。

①首先確保在下面的整個Cache鎖定過程不會被中斷打斷。如果程序要求中斷不能關(guān)閉，那么必須確保被打開的中斷相關(guān)代碼和數(shù)據(jù)位于非緩存（uncachable）的存儲區(qū)域。

關(guān)中斷的典型做法如下所示。

MRSr2,CPSR;讀出當(dāng)前程序狀態(tài)字CPSR

ORRr2,r2,#0x000000C0;關(guān)中斷

MSRCPSR_cxsf,r2;設(shè)置當(dāng)前程序狀態(tài)字

②如果鎖定是指令Cache或者統(tǒng)一Cache，必須保證鎖定過程所執(zhí)行的代碼位于非緩存的存儲域。

③如果鎖定的是數(shù)據(jù)Cache或者統(tǒng)一的Cache，必須保證鎖定過程所執(zhí)行的數(shù)據(jù)位于非緩存的存儲域。

④保證要鎖定的代碼和數(shù)據(jù)位于緩存的存儲區(qū)域中。

⑤如果要鎖定的代碼和數(shù)據(jù)不在Cache中，使用Cache清除或清理指令，將其置換到Cache中。

⑥N次循環(huán)執(zhí)行下面的操作。

·index=I寫入寄存器c9，當(dāng)使用B格式的鎖定寄存器時，令L=0。

·如果鎖定的是數(shù)據(jù)Cache或數(shù)據(jù)和指令統(tǒng)一Cache，使用LDR指令將數(shù)據(jù)從內(nèi)存讀出，這個讀操作將使要鎖定的內(nèi)容存在于Cache行中。

·如果鎖定的是指令Cache，那么要借助c7寄存器，相關(guān)指令詳細(xì)內(nèi)容，參見c7寄存器一節(jié)。

⑦將index=N寫入寄存器c9，當(dāng)使用B格式的鎖定寄存器時，令L=0。

如果要解除對N鎖定塊的鎖定，執(zhí)行以下操作。

·將index=0寫入寄存器c9。

·當(dāng)使用格式B的鎖定寄存器時，令L=0。

15.3.8內(nèi)存一致性

當(dāng)一個系統(tǒng)中同時使用了Cache、寫緩存時，同一地址的數(shù)據(jù)可能同時出現(xiàn)在包括系統(tǒng)內(nèi)存在內(nèi)的多個不同的物理位置中。如果Cache引入了哈佛架構(gòu)，使用數(shù)據(jù)和指令分類的Cache，那情況將更復(fù)雜。

由于上述存儲系統(tǒng)的多樣性特點，當(dāng)從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)時，不能保證讀取的是數(shù)據(jù)的最新值（即有可能出現(xiàn)下述情況：寫操作將數(shù)據(jù)寫入到Cache中，但更新數(shù)據(jù)還沒有被回寫到內(nèi)存）。

ARM存儲系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)不一致問題一方面可以通過存儲系統(tǒng)自動保證解決，另一方面編寫程序時要遵循一定的規(guī)則，防止數(shù)據(jù)不一致性發(fā)生。

下面就幾個常出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的地方進行討論。

·地址映射發(fā)生變化時

·指令和數(shù)據(jù)分離的Cache

·系統(tǒng)執(zhí)行DMA（DirectMemoryAccess）操作

（1）地址映射發(fā)生的變換

當(dāng)系統(tǒng)中使用MMU時，Cache行對應(yīng)的地址可能是：

①內(nèi)存中的實際地址；

②經(jīng)過地址轉(zhuǎn)換后的虛擬地址。

如果查詢Cache時相聯(lián)地址比較使用的是虛擬地址，則當(dāng)系統(tǒng)地址到物理地址的映射發(fā)生變換時，可能造成Cache中數(shù)據(jù)與主存中的不一致。

同時，當(dāng)系統(tǒng)中使用了寫緩存，處理器對寫緩存中的數(shù)據(jù)處理也是按虛擬地址進行的，所以同樣會發(fā)生數(shù)據(jù)不統(tǒng)一的問題。比如，當(dāng)前處理器使用虛擬地址向某個內(nèi)存單元寫數(shù)據(jù)，該寫操作已經(jīng)將虛擬地址和數(shù)據(jù)寫入到寫緩存區(qū)中，此時，虛擬地址到物理地址的映射關(guān)系發(fā)生變換，使先前要寫入數(shù)據(jù)的虛擬地址發(fā)生了變化，當(dāng)寫緩存將上面被延時的寫操作寫到主存時，使用的是變換后的地址，從而寫操作執(zhí)行失敗。

為了避免發(fā)生這種數(shù)據(jù)不統(tǒng)一的情況，在系統(tǒng)虛擬地址到物理地址的映射關(guān)系發(fā)生變換前，根據(jù)系統(tǒng)的具體情況，執(zhí)行下面的操作序列中的一種或幾種。

·如果數(shù)據(jù)Cache為寫回型Cache，清空該數(shù)據(jù)Cache。

·使數(shù)據(jù)Cache中相應(yīng)的行無效。

·使指令Cache中相應(yīng)的行無效。

·將寫緩存區(qū)中被延時的操作全部執(zhí)行。

·有些情況可能還要求相關(guān)的存儲區(qū)域被置換成非緩存的。