先楫HPM片上Cache使用指南经验分享

概 述

高速缓存（Cache）主要是为了解决CPU运算速度与内存（Memory）读写速度不匹配的矛盾而存在， 是CPU与存储设备之间的临时存贮器，容量小，但是交换速度比内存快。内置高速缓存通常对CPU的性能提升具有较大作用。

CPU要读取一个数据时，首先从Cache中查找，如果找到就立即读取并送给CPU处理；如果没有找到，就用相对慢的速度从内存中读取并送给CPU处理，同时把这个数据所在的数据块调入Cache中，可以使得以后对整块数据的读取都从Cache中进行，不必再调用内存。

这样的读取机制使CPU读取Cache的命中率非常高（大多数CPU可达90%左右），也就是说CPU下一次要读取的数据90%都在Cache中，只有大约10%需要从内存读取。HPM CPU访问片上的Cache内数据是零等待的，这大大节省了CPU直接读取内存数据的时间，使CPU读取数据时基本无需等待。总的来说，CPU读取数据的顺序是先Cache后存储设备。

一、Cacheable Memory 相关概念 

在访问HPM片上ILM与DLM（Local Memory）时，芯片物理结构决定了CPU不会使用Cache去缓存Local Memory的数据。访问其它存储设备如flash、sram、sdram等，则Cache可以发挥其缓存机制来加快访问速度。在Cache生效的地址空间内，用户可以设置Memory的物理存储属性来设置是否对指定的地址空间使用Cache。

PMA（Physical Memory Attributes）是指一段存储地址空间的可读写、可执行、可缓存等属性。读、写、执行等属性容易理解，此处不赘述。下面介绍几个其它属性及相关的概念。（注意：HPM5300系列不支持PMA设置）

首先介绍一些Cache基本概念。

1. Cache Line/dirty/invalidate

Cache Line：一次最少缓存多少字节的数据是有要求的，通常以Cache Line为单位。HPM6000系列MCU Cache Line为64byte，HPM5300系列MCU Cache Line为32byte。在进行PMA设置时，要求起始地址按Cache Line字节数对齐，大小为Cache Line大小的整数倍。声明数组时最好也遵循此规则。

Dirty：表示某Cache Line的数据是否与Memory保持一致，如果只将数据写入Cache而没有写入Memory，会将该Cache Line标记为dirty。

Invalidate：将某地址范围的Cache Line数据失效掉，当Cache Line状态被Invalidate时，不管读取是否命中，CPU都会到Memory拿数据。

对Cache的标准操作包括 write-back，invalidate，flush。

Write-back表示把cache内dirty的数据写入Memory，invalidate表示忽略某地址范围的Cache line，flush操作则先对某Cache Line 进行write-back操作，再进行invalidate操作。HPM SDK的hpm_l1c_drv.h文件提供了这3种操作的接口函数。

2. Bufferable

Bufferable是指MCU在写入一片内存区时，是否可使用Write buffer进行加速。例如向sram内写入64个字节：

1）不使用Bufferable：CPU等待64字节数据写入完成后再去执行其它指令；

2）使用Bufferable：CPU将64字节数据写入Write buffer，不等Write buffer内的数据写入sram，CPU就去执行其它指令；写入动作则自动进行直至完成。

3. Cacheable

Cacheable与 non-Cacheable，决定了CPU是否启用缓存特性。如果启用Cacheable特性，则HPM芯片上的内存区域可以分区指定PMA，可选的属性选项如下（详细信息可参考先楫官方文档HPM6200 UM 2.8章节）：

Write-Back

Write-Back（与Write-Through互斥）是指向存储设备内写数据命中时，CPU将数据写入Cache，并不立马向存储设备写入数据，如下图所示：数据先写入到Cache内（①），在Cache内标记该Cache Line为dirty，即表示该Cache Line内容与Memory内容不符；Cache内数据写入Memory（②），则在Cache Line被替换或手动执行write-back操作或flush操作时（把dirty的数据写入Memory）才执行。

未命中时，则写入Memory。是否写入Cache 由xxx-Allocate决定。

Write-Through

Write-Through（与Write-Back互斥）是指向存储设备内写数据时，无论命中与否，CPU都将数据写入Memory。

命中时，数据同时写入Cache 与Memory；

未命中时，数据写入Memory，是否写入Cache 由xxx-Allocate决定。

xxx-Allocate

xxx-Allocate则用于控制读/写未命中Cache时，是否要在Cache内申请Cache Line用于缓存读/写的数据。例如：

Read-Allocate代表读未命中时，CPU不只从Memory将数据读入，还将数据在Cache放了一份，那么下次再读的时候就不用去Memory读了；

Write-Allocate代表写未命中时，会在Cache内分配Cache Line储存写入的数据，那么下次读的时候就可以从Cache读了；具体是否写入Memory取决于使用的是Write-Back还是Write-Through。

Non-Allocate和 Read-and-Write-Allocate就不再进行解释了。

/* Init noncachable memory */

    extern uint32_t __noncacheable_start__[];

    extern uint32_t __noncacheable_end__[];

    start_addr = (uint32_t) __noncacheable_start__;

    end_addr = (uint32_t) __noncacheable_end__;

    length = end_addr - start_addr;

    if (length > 0) {

        /* Ensure the address and the length are power of 2 aligned */

        assert((length & (length - 1U)) == 0U);

        assert((start_addr & (length - 1U)) == 0U);

        pmp_entry[index].pmp_addr = PMP_NAPOT_ADDR(start_addr, length);

        pmp_entry[index].pmp_cfg.val = PMP_CFG(READ_EN, WRITE_EN, EXECUTE_EN, ADDR_MATCH_NAPOT, REG_UNLOCK);

        pmp_entry[index].pma_addr = PMA_NAPOT_ADDR(start_addr, length);

        pmp_entry[index].pma_cfg.val = PMA_CFG(ADDR_MATCH_NAPOT, MEM_TYPE_MEM_NON_CACHE_BUF, AMO_EN);

        index++;

}

pmp_config(&pmp_entry[0], index);

以上代码设置了__noncacheable_start__至__noncacheable_end__地址范围内的存储区域PMA属性为noncacheable，bufferable。

通过以上解释，相信开发者可以看懂UM手册内的相关描述了，以HPM6200系列为例，User Manual v2.0 2.8章节的内容对PMA有详细描述。

二、HPM L1-Cache相关函数 

HPM系列芯片L1-Cache分为 iCache与 dCache，指令缓存与数据缓存。开发者们经常遇到的问题是开启dCache导致的CPU拿到的数据与Memory内数据不一致（Cache内的数据与Memory不一致时，读取命中Cache会发生这样的结果）。因此，此处主要介绍 dCache相关函数。

打开hpm_l1c_drv.h文件即可看到先楫提供的Cache相关的函数，部分如下：

*

* @brief D-cache disable

*/

void l1c_dc_disable(void);

/*

* @brief D-cache enable

*/

void l1c_dc_enable(void);

/*

* @brief D-cache invalidate by address

* @param[in] address Start address to be invalidated

* @param[in] size Size of memory to be invalidated

*/

void l1c_dc_invalidate(uint32_t address, uint32_t size);

/*

* @brief D-cache writeback by address

* @param[in] address Start address to be writtenback

* @param[in] size Size of memory to be writtenback

*/

void l1c_dc_writeback(uint32_t address, uint32_t size);

/*

* @brief D-cache invalidate and writeback by address

* @param[in] address Start address to be invalidated and writtenback

* @param[in] size Size of memory to be invalidted and writtenback

*/

void l1c_dc_flush(uint32_t address, uint32_t size);

/*

* @brief D-cache fill and lock by address

* @param[in] address Start address to be filled and locked

* @param[in] size Size of memory to be filled and locked

*/

void l1c_dc_fill_lock(uint32_t address, uint32_t size);

/*

* @brief Invalidate all icache and writeback all dcache

*/

void l1c_fence_i(void);

/*

* @brief Invalidate all d-cache

*/

void l1c_dc_invalidate_all(void);

/*

* @brief Writeback all d-cache

*/

void l1c_dc_writeback_all(void);

/*

* @brief Flush all d-cache

*/

void l1c_dc_flush_all(void);

l1c_dc_disable：关闭dCache。此函数特别有用，在debug时如果怀疑是Cache导致的问题，在main函数开始关闭dCache再次运行即可排查是否是Cache导致的问题。注意，如果是用户程序运行过程中关闭dCache，需要在关闭前将执行l1c_dc_writeback_all，保证Cache数据写入Memory。

l1c_dc_enable：开启dCache。

l1c_dc_invalidate：将某地址范围内的Cache Line失效掉。无论某地址在Cache内是否命中，CPU会从Memory内拿数据。

l1c_dc_writeback：将Cache内数据写入某Memory地址。如果该地址在Cache内，则将该Cache Line写入Memory，并清除dirty标志。

l1c_dc_flush：该函数等于 l1c_dc_writeback + l1c_dc_invalidate，把数据写入到Memory并标记为invalidate，表示下次从Memory拿数据时不走Cache。

l1c_fence_i：将dCache内的数据全部writeback，将iCache内所有Cache Line invalidate。一般关闭Cache前会手动调用此函数。

l1c_dc_invalidate_all、l1c_dc_writeback_all、l1c_dc_flush_all：代表操作整个Cache中的Cache Line，具体含义不再赘述。

三、经验分享 

l1c_dc_writeback：一般非CPU的总线host，如DMA访问某Memory地址前，通过l1c_dc_writeback将Cache内的数据写到Memory，保证DMA拿到的数据与CPU看到的数据是一致的。

例如I2C_DMA例程：

/* setup i2c dma tx */

#if PLACE_BUFF_AT_CACHEABLE

  if (l1c_dc_is_enabled()) {

      /* cache writeback before DMA sent data */

      l1c_dc_writeback((uint32_t)tx_buff, TEST_TRANSFER_DATA_IN_BYTE);

  }

#endif

  stat = i2c_tx_trigger_dma(TEST_I2C_DMA,

                          TEST_I2C_DMA_CH,

                          TEST_I2C,

                          core_local_mem_to_sys_address(BOARD_RUNNING_CORE, (uint32_t)tx_buff),

                          TEST_TRANSFER_DATA_IN_BYTE);

  if (stat != status_success) {

      printf("i2c tx trigger dma failed ");

      while (1) {

      }

  }

在DMA将tx_buff数据搬到I2C的发送寄存器之前，进行了writeback。

l1c_dc_invalidate：一般CPU在读取Memory数据时，如果该数据被其它总线host如DMA操作过（一般是DMA搬了某些数据过去），为了能读到Memory中的数据而不是Cache中的数据，要在读取之前对Cache Line进行invalidate处理（多数开发者遇到的都是这个问题）。

例如I2C_DMA例程：

 /* setup i2c dma rx */

  stat = i2c_rx_trigger_dma(TEST_I2C_DMA,

                          TEST_I2C_DMA_CH,

                          TEST_I2C,

                          core_local_mem_to_sys_address(BOARD_RUNNING_CORE, (uint32_t)rx_buff),

                          TEST_TRANSFER_DATA_IN_BYTE);

  i2c_master_start_dma_read(TEST_I2C, TEST_I2C_SLAVE_ADDRESS, TEST_TRANSFER_DATA_IN_BYTE);

  i2c_handle_dma_transfer_complete(TEST_I2C);

#if PLACE_BUFF_AT_CACHEABLE

  if (l1c_dc_is_enabled()) {

      /* cache invalidate after DMA receive data */

      l1c_dc_invalidate((uint32_t)rx_buff, TEST_TRANSFER_DATA_IN_BYTE);

  }

#endif

  check_transfer_data();

在进行check_transfer_data之前，先对数据进行了l1c_dc_invalidate处理。

l1c_fence_i：一般在CPU关闭Cache之前，或程序跳转之前（一般二级boot选择好要执行的固件进行跳转），为了保证所有dirty的Cache Line写入到Memory中，会进行l1c_dc_writeback_all，然后等 l1c_dc_writeback_all执行完毕后再跳转。

例如tinyuf2例程：

void uf2_board_app_jump(void)

{

fencei();

  l1c_dc_disable();

  l1c_ic_disable();

  __asm("la a0, %0" ::"i"(BOARD_FLASH_APP_START + 4));

  __asm("jr a0");

}

uf2_board_app_jump函数在跳转前，执行了fencei，本质上就是l1c_fence_i。

另外，在执行writeback操作期间中断不可用，对实时性要求高的场景应进行合理规划l1c_dc_writeback_all的使用。

四、文末小结 

Cache能大幅提高程序运行性能，但用不好Cache也会给开发者带来各种“奇奇怪怪”的问题现象。在阅读本文后，希望开发者对先楫的 L1-Cache有更深入的理解，使用先楫半导体高性能 MCU系列产品开发项目时，能更加得心应手。

 

审核编辑：刘清