通过C代码和Intel手册详细理解cache参数

Cache的容量一般都很小，即使是最大的三级 Cache（L3）也只有20MB ～30MB。cache加快了CPU对内存的读写速率，CPU第一次执行需要将数据时候需要从主存-->L3 Cache--->L2 Cache -->L1 Cache传递到CPU的计算单元。cache分成多个组，每个组分成多个行，linesize是cache的基本单位，从主存向cache迁移数据都是按照linesize为单位替换的。下面通过C代码和Intel手册详细理解cache参数。

Intel CPU可以通过CPUID命令获取cpu相关信息，查询Intel可以获取到相应的指令信息，获取cache 参数有下面两种方法：分别是当CPUID指令Initial EAX Value为0x02和0x04时候，由于方法一种CPUID指令的入口参数存放在EAX寄存器中，所以获取cache信息需要给EAX寄存器赋值为0x02，然后分别读取EAX、EBX、ECX、EDX四个寄存器得到Cache and TLB Information。查看Intel手册（图1）得到方法一的指令码。

图1

参考Linux内核中header.c文件中的cpuid函数实现获取cache代码函数，图2有两种方式实现获取cache函数，原理都是一样，赋值然后读取值。

图2

本次试验采用gcc 4.7.2版本编译程序并且运行得到如下结果:

d_eax : 55035a01

d_ebx : f0b2de

d_ecx : 0

d_edx : 9ca212c

查看intel 手册可以得到每个字节的解释，ebx寄存器中低八位查表得到如图3所示相关信息，3级cache 容量6M,12路组相连（每组有12个line），每个line大小为64 字节。其它信息查表得到如下：

EAX：

(55h) Instruction TLB: 2-MB or 4-MB pages, fully associative, 7 entries

(03h) Data TLB: 4-KB Pages, 4-way set associative, 64 entries

(5Ah) Data TLB0: 2-MB or 4-MB pages, 4-way associative, 32 entries

(01h) Instruction TLB: 4-KB Pages, 4-way set associative, 32 entries

EBX:

(F0h) 64-byte Prefetching

(B2h) Instruction TLB: 4-KB pages, 4-way set associative, 64 entries

(DEh) 3rd-level cache: 6-MB, 12-way set associative, 64-byte line size

EDX:

(09h) 1st-level Instruction Cache: 32-KB, 4-way set associative, 64-byte line size

(CAh) Shared 2nd-level TLB: 4-KB pages, 4-way set associative, 512 entries

(21h) 256KB L2 (MLC), 8-way set associative, 64-byte line size

(2Ch) 1st-level data cache: 32-KB, 8-way set associative, 64-byte line size

从上面信息得到当前CPU的cache信息如下:

L1 Cache : 32KB , 8路组相连，linesize为 64Byte 64个组

L2 Cache：256KB 8路组相连，linesize为 64Byte 512个组

L3 Cache：6MB 12路组相连，linesize为 64Byte 8192个组

图3

获取cache参数的另外一种方法，查阅Intel手册（图4）得到当CPUID的Initial EAX Value为0x04时得到cache十六进制数，在根据图4中的编码信息获取cache详细参数，执行该CPUID命令时还需要设置另外一个入口参数ECX,ECX寄存器设置我们需要查询哪一个cache ，ECX的输入与cache对应如下：

0：L1D

1：L1I

2：L2

3：L3

图4

执行CPUID Initial EAX Value 等于0x04时，返回的EAX、EBX、ECX、EDX寄存器值得位信息如图5所示。

图5

EAX[4:0]=1，表示这是一个数据Cache。EAX[7:5]=1，表示该Cache的级别为1，即为L1D。EAX[8]=1表示该Cache处于自初始化的Cache层（Seache Level）。EAX[9]=0，表示此Cache不是全相联Cache。EAX[25:14]=1表示能够共享此Cache的最大线程数为2。EAX[31:26]=15，表示这个处上，最多支持16个核心。EBX[11:0]=63表示Cache LineSize为64字节。EBX[21:12]表示此Cache不支持硬件Cache Line分区。EBX[31:22]=7，表示此Cache为8路组相联

7表示此Cache的组数为8组。

获取L3 cache详细参数代码如图6所示:

图6

代码运行结果如下:

d_eax : 163

d_ebx : 2c0003f

d_ecx : 1fff

d_edx : 6

计算L3 cache容量公式如下:

Size = (Ways + 1) * (Partitions + 1) * (Line_Size + 1) * (Sets + 1)

= (EBX[31:22] + 1) * (EBX[21:12] + 1) * (EBX[11:0] + 1) * (ECX + 1)

=(0x2c0003f>>22+1)*((0x2c0003f&0x003FF000)>>12+1)*(0x2c0003f&0x00000FFF+1)*(0x1fff+1)

= 6291456 B=6144 K=6M

获取其它cache 只需要修改传入cpuid的ecx参数，如果需要获取CPU的其它信息，可以查看Intel  指令手册修改传入EAX参数的值