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详谈嵌入式编程需注意的Cache机制和原理
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2017-11-01
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1 Cache的原理
Cache即高速缓存，它的出现基于两种因素：一、CPU的速度和性能提高很快，而主存速度较低且价格高；二、程序执行的局部性特点。将速度较快而容量有限的SRAM构成Cache，可以尽可能发挥CPU的高速度。CPU与外设交换数据时经常用到buffer（缓冲），这与缓存极其相似，只不过Cache是为了提高CPU和内存之间的数据交换速度而设计，而buffer是为了提高内存和硬盘（或其他I／O设备）之间的数据交换速度而设计的。
Baidu快照（cache．baidu．com）就是一个缓存的例子，其作用与计算机CPU缓存有类似之处。 Cache的原理如图1所示。
在读取内存数据的同时CPU将数据保存到Cache数据区，同时更新Cache映射表（保存地址信息，表示该地址的数据是否已在Cache数据区，即是否命中）。这样，CPU再次读取该地址数据时，就可以直接从Cache提取。读Cache的时间远小于直接读内存，可提高CPU读取数据的效率。
Cache数据区有成块读取的特性（Cache映射表保存的地址是块地址，节省空间，也符合程序执行的局部性特点）。Cache数据区远远小于内存空间，就需要相应的替代算法。比如最近最少使用算法，可将新数据替代使用频率低的数据，同时更新映射表信息。可以推想，Cache空间越大，命中率越高。
写内存需要直接更新内存。如果映射表存在该地址信息，还需要同时更新Cache数据区。这种Cache访问方式就称作“直写”，Samsung公司的ARM7微处理器S3CA510B就是这种方式。以下所讨论的Cache问题除非特殊说明，否则都是“直写”方式。
2 嵌入式编程时需注意的问题
2.1 访问外设使用Cache的问题
在访问内存时使用Cache是不会出现问题的，但如果访问数据易变外设（数据不依赖于CPU写操作而改变）时使用Cache就可能出现问题。问题在于外设数据的改变不仅仅依靠CPU写操作，CPU第一次读取外设数据时将外设的数据和地址信息保存到Cache，第二次读取外设数据时就可能有问题出现。这是因为数据直接从Cache提取，而外设的数据可能有改变。
因此，在访问易变外设时要禁止使能Cache，直接读取外设数据到CPU，而不经过Cache的任何环节，即保证不改变Cache映射表和Cache数据区内容。
S3C4510B的SYSCFG SFR（特殊功能寄存器）有用来控制Cache使能或不使能的，通过对该SFR的设置可暂时禁止Cache或重新恢复Cache功能。这样就可以在读取外设前禁止Cache，读取结束后重新使能Cache，保证了外设数据读取的正确性。写数据到外设时采用“直写”方式，更没有问题。
2.2 开关Cache引发的新问题
在Cache开关期间，如果有另一个进程／任务访问内存，在此期间写内存并且该内存在Cache中已有映射（注意，它也是被禁止Cache的，所以它不会同时更新Cache数据区的内容），那么在Cache重新使能之后Cache数据区的信息已经过时了，而Cache映射表还是Cache禁止之前的状态，如果CPU此时读数据就会得到过时的数据。这样看来，引发的问题范围更广了，连内存的数据读写正确性都无法保证。与内存泄漏的影响来比较，内存泄漏如果是一颗定时炸弹，那么Cache问题就可以说是随时随地都可能踩上的雷区，因为程序一旦开始就可能引发爆炸。
如图2所示，Cache使能时Cache映射表和Cache数据区保存了内存的数据信息，这是CPU访问内存时通过图中实线箭头通路实现的。内存的信息可以与Cache的信息保持一致。
Cache禁止时的情况有所变化。由图2中虚线箭头通路直接进行内存访问，且地址0x00处的数据由55变为AA，但Cache区的信息仍为之前的状态。很明显，Cache的数据是应该废弃的，但是Cache映射表仍保存0x00的地址信息。Cache重新使能后，CPU再次读取0x00地址的数据，由于Cache仍是命中，直接从Cache数据区中提取数据，这样读出来的数据就是0x55了。
由S3C4510B数据手册第4节的第21页可知：通过对SYSCFG寄存器的CE位置1或清0可使能／关闭Cache，但是Cache没有内容自动刷新功能，在重新使能Cache时需考虑Cache数据的正确性。
Cache即高速缓存，它的出现基于两种因素：一、CPU的速度和性能提高很快，而主存速度较低且价格高；二、程序执行的局部性特点。将速度较快而容量有限的SRAM构成Cache，可以尽可能发挥CPU的高速度。CPU与外设交换数据时经常用到buffer（缓冲），这与缓存极其相似，只不过Cache是为了提高CPU和内存之间的数据交换速度而设计，而buffer是为了提高内存和硬盘（或其他I／O设备）之间的数据交换速度而设计的。
Baidu快照（cache．baidu．com）就是一个缓存的例子，其作用与计算机CPU缓存有类似之处。 Cache的原理如图1所示。
在读取内存数据的同时CPU将数据保存到Cache数据区，同时更新Cache映射表（保存地址信息，表示该地址的数据是否已在Cache数据区，即是否命中）。这样，CPU再次读取该地址数据时，就可以直接从Cache提取。读Cache的时间远小于直接读内存，可提高CPU读取数据的效率。
Cache数据区有成块读取的特性（Cache映射表保存的地址是块地址，节省空间，也符合程序执行的局部性特点）。Cache数据区远远小于内存空间，就需要相应的替代算法。比如最近最少使用算法，可将新数据替代使用频率低的数据，同时更新映射表信息。可以推想，Cache空间越大，命中率越高。
写内存需要直接更新内存。如果映射表存在该地址信息，还需要同时更新Cache数据区。这种Cache访问方式就称作“直写”，Samsung公司的ARM7微处理器S3CA510B就是这种方式。以下所讨论的Cache问题除非特殊说明，否则都是“直写”方式。
2 嵌入式编程时需注意的问题
2.1 访问外设使用Cache的问题
在访问内存时使用Cache是不会出现问题的，但如果访问数据易变外设（数据不依赖于CPU写操作而改变）时使用Cache就可能出现问题。问题在于外设数据的改变不仅仅依靠CPU写操作，CPU第一次读取外设数据时将外设的数据和地址信息保存到Cache，第二次读取外设数据时就可能有问题出现。这是因为数据直接从Cache提取，而外设的数据可能有改变。
因此，在访问易变外设时要禁止使能Cache，直接读取外设数据到CPU，而不经过Cache的任何环节，即保证不改变Cache映射表和Cache数据区内容。
S3C4510B的SYSCFG SFR（特殊功能寄存器）有用来控制Cache使能或不使能的，通过对该SFR的设置可暂时禁止Cache或重新恢复Cache功能。这样就可以在读取外设前禁止Cache，读取结束后重新使能Cache，保证了外设数据读取的正确性。写数据到外设时采用“直写”方式，更没有问题。
2.2 开关Cache引发的新问题
在Cache开关期间，如果有另一个进程／任务访问内存，在此期间写内存并且该内存在Cache中已有映射（注意，它也是被禁止Cache的，所以它不会同时更新Cache数据区的内容），那么在Cache重新使能之后Cache数据区的信息已经过时了，而Cache映射表还是Cache禁止之前的状态，如果CPU此时读数据就会得到过时的数据。这样看来，引发的问题范围更广了，连内存的数据读写正确性都无法保证。与内存泄漏的影响来比较，内存泄漏如果是一颗定时炸弹，那么Cache问题就可以说是随时随地都可能踩上的雷区，因为程序一旦开始就可能引发爆炸。
如图2所示，Cache使能时Cache映射表和Cache数据区保存了内存的数据信息，这是CPU访问内存时通过图中实线箭头通路实现的。内存的信息可以与Cache的信息保持一致。
Cache禁止时的情况有所变化。由图2中虚线箭头通路直接进行内存访问，且地址0x00处的数据由55变为AA，但Cache区的信息仍为之前的状态。很明显，Cache的数据是应该废弃的，但是Cache映射表仍保存0x00的地址信息。Cache重新使能后，CPU再次读取0x00地址的数据，由于Cache仍是命中，直接从Cache数据区中提取数据，这样读出来的数据就是0x55了。
由S3C4510B数据手册第4节的第21页可知：通过对SYSCFG寄存器的CE位置1或清0可使能／关闭Cache，但是Cache没有内容自动刷新功能，在重新使能Cache时需考虑Cache数据的正确性。
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