嵌入式編程需注意的Cache機制及其原理

1 Cache的原理?

Cache即高速緩存，它的出現基于兩種因素：一、CPU的速度和性能提高很快，而主存速度較低且價格高；二、程序執行的局部性特點。將速度較快而容量有限的SRAM構成Cache，可以盡可能發揮CPU的高速度。CPU與外設交換數據時經常用到buffer(緩沖)，這與緩存極其相似，只不過Cache是為了提高CPU和內存之間的數據交換速度而設計，而buffer是為了提高內存和硬盤(或其他I／O設備)之間的數據交換速度而設計的。?

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



在讀取內存數據的同時CPU將數據保存到Cache數據區，同時更新Cache映射表(保存地址信息，表示該地址的數據是否已在Cache數據區，即是否命中)。這樣，CPU再次讀取該地址數據時，就可以直接從Cache提取。讀Cache的時間遠小于直接讀內存，可提高CPU讀取數據的效率。???

Cache數據區有成塊讀取的特性(Cache映射表保存的地址是塊地址，節省空間，也符合程序執行的局部性特點)。Cache數據區遠遠小于內存空間，就需要相應的替代算法。比如最近最少使用算法，可將新數據替代使用頻率低的數據，同時更新映射表信息。可以推想，Cache空間越大，命中率越高。

寫內存需要直接更新內存。如果映射表存在該地址信息，還需要同時更新Cache數據區。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 嵌入式編程時需注意的問題

2.1?訪問外設使用Cache的問題

在訪問內存時使用Cache是不會出現問題的，但如果訪問數據易變外設(數據不依賴于CPU寫操作而改變)時使用Cache就可能出現問題。問題在于外設數據的改變不僅僅依靠CPU寫操作，CPU第一次讀取外設數據時將外設的數據和地址信息保存到Cache，第二次讀取外設數據時就可能有問題出現。這是因為數據直接從Cache提取，而外設的數據可能有改變。

因此，在訪問易變外設時要禁止使能Cache，直接讀取外設數據到CPU，而不經過Cache的任何環節，即保證不改變Cache映射表和Cache數據區內容。

S3C4510B的SYSCFG SFR(特殊功能寄存器)有用來控制Cache使能或不使能的，通過對該SFR的設置可暫時禁止Cache或重新恢復Cache功能。這樣就可以在讀取外設前禁止Cache，讀取結束后重新使能Cache，保證了外設數據讀取的正確性。寫數據到外設時采用“直寫”方式，更沒有問題。

2.2?開關Cache引發的新問題

在Cache開關期間，如果有另一個進程／任務訪問內存，在此期間寫內存并且該內存在Cache中已有映射(注意，它也是被禁止Cache的，所以它不會同時更新Cache數據區的內容)，那么在Cache重新使能之后Cache數據區的信息已經過時了，而Cache映射表還是Cache禁止之前的狀態，如果CPU此時讀數據就會得到過時的數據。這樣看來，引發的問題范圍更廣了，連內存的數據讀寫正確性都無法保證。與內存泄漏的影響來比較，內存泄漏如果是一顆定時炸彈，那么Cache問題就可以說是隨時隨地都可能踩上的雷區，因為程序一旦開始就可能引發爆炸。

如圖2所示，Cache使能時Cache映射表和Cache數據區保存了內存的數據信息，這是CPU訪問內存時通過圖中實線箭頭通路實現的。內存的信息可以與Cache的信息保持一致。



Cache禁止時的情況有所變化。由圖2中虛線箭頭通路直接進行內存訪問，且地址0x00處的數據由55變為AA，但Cache區的信息仍為之前的狀態。很明顯，Cache的數據是應該廢棄的，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地址的數據，由于Cache仍是命中，直接從Cache數據區中提取數據，這樣讀出來的數據就是0x55了。

由S3C4510B數據手冊第4節的第21頁可知：通過對SYSCFG寄存器的CE位置1或清0可使能／關閉Cache，但是Cache沒有內容自動刷新功能，在重新使能Cache時需考慮Cache數據的正確性。

為了證實以上說法，循環執行如下測試程序：



如果沒有Cache的影響，結果應該是55 aa aa。可見，Cache關閉再打開的確可造成Cache數據過時。

3?其他CPU解決方案

Atmel公司的AT91RM9200和Samsung公司的S3C44B0，用這兩種CPU先后移植過操作系統，且在對外設訪問的整個過程中Cache都是使能的。它們的解決方案是什么呢?

AT91RM9200是ARM9系列帶有MMU的CPU。MMU對內存有分頁管理功能，可以實現多個進程的內存空間保護。Cache是通過MMU管理的，這也是Cache和MMU經常同時存在的原因。

S3C44B0和S3C4510B同樣都是Samsung公司產品，并且都不帶MMU。與S3CA510不同的是，S3C4480自帶的SFR可以配置非緩存范圍，即使Cache使能，所設置范圍的地址空間訪問也不通過Cache實現。這樣，可以很方便地實現內存是緩存區，其他外設是非緩存區。

這兩種方案對于S3C4510B都無法實現。網絡上有人用volatile關鍵字解決外設訪問問題。volatile關鍵字是在源代碼中給編譯器看的，它可能影響編譯器的編譯結果，但是最終CPU執行都體現到匯編語句，如果匯編語句都不能解決Cache問題，volatile語句也是不可能解決的。?

對于易變數據的外設使用volatile關鍵字是應該的，可避免編譯器的優化，比如以下語句：?



在兩次讀取portAdd地址的數據相同時等待，可以用到等待信號跳變的程序。如果將volatile關鍵字去除，有可能經編譯器優化，Value2不會從實際的portAdd地址讀取數據，而是利用Valuel讀取語句的中間寄存器直接獲得。

4 本文解決方案

由S3C4510B手冊上第5節的第4頁可知，可以通過兩種方式保證Cache數據的正確：

①對Cache映射表的Tag RAM數據清零。Cache映射表數據一般是通過上電復位清零的，如果Cache或內存段的設置被修改，則會造成Cache映射表數據廢棄，這時就需要通過程序對Cache映射表數據清0。?

②S3C4510B提供非Cache方式訪問控制位，控制位ADDR[26](地址線26位)為“1”時，按非Cache方式訪問。因此，Cache使能的情況下，地址0x000 0000～0x3FFFFFF按Cache方式訪問，而0x400 0000～0x7FF FFFF按非Cache方式訪問。實際上，0x000 0000+offset與0x400 0000+offset(offset在0x000 0000～0X3FF FFFF之間)是同一地址，不同的是Cache是否起作用。?

可以得到兩種解決方案：?

(1)Cache映射表手動更新? 既然在開關Cache之后內容過時，并且CPU不會自動刷新，可以通過手動更新的辦法來拋棄廢舊信息。也就是說，將Tag RAM區(前面所說的Cache映射表)清除，這樣所有Cache數據區的內容都不使能，再次讀取數據時同時更新Cache映射表和Cache數據區內容，之后才能使用。清除操作將Tag RAM的1 KB內容清零，需要消耗一定時間；并且這樣操作后Cache是0命中率的，只有一定訪問次數后Cache信息重新填滿，才能恢復正常的命中率。因此，頻繁地開關Cache時采用這種方案是不可取的。

(2)bit26位控制Cache使能

S3C4510B的地址線為26位(bit0～bit25)，實際上CPU可訪問空間為32位(bit0～bit31)。一般我們都不使用bit26～bit31，不過S3C4510B的這些位有著特殊的控制功能。通過bit26的高電平可以禁止該地址的Cache功能，因此將外設的地址由原來的ADDR_PORT改為(ADDR PORT∣(1<<26))，就可以實現外設訪問時Cache不使能。這樣就不用改為SYSCFG的Cache使能控制位。比較來看，SYSCFG的Cache使能位是控制整個CPU訪問的Cache使能與否，而bit26只控制當前訪問的一個具體地址的Cache使能與否。采用這種解決方案理論上有依據，并且可以最大程度發揮CPU的功能。

5 修改程序后的試驗結果

修改Cache解決方案后，可以解決內存訪問錯誤的問題。經過測試，采用“bit26位控制Cache使能”的方案可以順利訪問外設，代碼執行始終是在Cache使能的情況下，并且不影響內存數據。若完全關閉Cache的程序，執行同樣代碼需要花費5～8倍的時間。