邏輯MMU與物理MMU - ARM核920T性能優(yōu)化之Cache

　　如果帶cache的處理器核支持虛擬存儲(chǔ)，那么cache就可以放在處理器內(nèi)核和存儲(chǔ)管理單元MMU之間或者M(jìn)MU與物理存儲(chǔ)器之間。

　　邏輯cache在虛擬地址空間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，它位于處理器和MMU之間。處理器可以直接通過邏輯cache訪問數(shù)據(jù)而無需通過MMU。

　　物理cache使用物理地址存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，它位于MMU和主存之間。當(dāng)處理器訪問存儲(chǔ)器時(shí)，MMU必須先把虛擬地址轉(zhuǎn)化為物理地址，cache存儲(chǔ)器才可向內(nèi)核提供數(shù)據(jù)。

　　從arm7～arm10都是使用邏輯cache，arm11使用物理cache。

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　　四.Cache的結(jié)構(gòu)

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　　帶有cache的ARM內(nèi)核采用了2種總線結(jié)構(gòu)：馮諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)。在使用馮諾依曼結(jié)構(gòu)的處理器內(nèi)核中，只有一個(gè)數(shù)據(jù)和指令公用的cache，這種cache被稱作統(tǒng)一cache。哈佛結(jié)構(gòu)將指令總線和數(shù)據(jù)總線分離，存在指令cache(I-cache)和數(shù)據(jù)cache(D-cache)，這種類型的cache被稱作分離cache。上邊的圖是統(tǒng)一cache，cache的兩個(gè)主要組成部分cache控制器和cache存儲(chǔ)器。Cache存儲(chǔ)器是一個(gè)專用的存儲(chǔ)器陣列，其訪問單元稱為cache行。Cache有3個(gè)主要的部分：目錄存儲(chǔ)段(directory store)，狀態(tài)信息段(status information)，數(shù)據(jù)項(xiàng)段(data section)。每一個(gè)cache行都由這3部分組成。Cache使用目錄存儲(chǔ)段來記錄每個(gè)cache行是由主存的什么地方拷貝而來。該目錄項(xiàng)被稱為“cache標(biāo)簽”。狀態(tài)位用來記錄狀態(tài)信息，2個(gè)常見的狀態(tài)位是有效位(valid bit)和臟位(dirty bit)。Cache存儲(chǔ)器必須存儲(chǔ)來自主存的信息，這些信息被放在數(shù)據(jù)項(xiàng)段里。

　　五.Cache與主存的關(guān)系

　　1)直接映射

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　　主存的每個(gè)地址都對(duì)應(yīng)著cache存儲(chǔ)器的唯一的一行。如圖，組索引(set index)可以確切的指出所有以0x824結(jié)尾的內(nèi)存地址在cache中所唯一對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)地址;數(shù)據(jù)索引域可以確定字，半字或者字節(jié)在該cache行中的位置;標(biāo)簽域用來與cache行中的cache-tag相比較。

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　　直接映射這種設(shè)計(jì)使每個(gè)主存塊在cache中只有一個(gè)特定的行可以存放，那么如果程序同時(shí)用到對(duì)應(yīng)于cache同一行的2個(gè)主存塊，那么就會(huì)發(fā)生沖突。沖突的結(jié)果就是導(dǎo)致cache行的頻繁置換。這就是直接映射cache的顛簸問題(Thrashing)。重復(fù)的cache失效導(dǎo)致cache控制器連續(xù)不斷的將當(dāng)前不用的過程置換出cache，這就是cache顛簸。

　　2)組相聯(lián)

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　　為了減少cache的顛簸頻率，某些cache使用了其他設(shè)計(jì)。將cache分成一些容量相同的小單元，稱作路(way)。這里一個(gè)組索引對(duì)應(yīng)多個(gè)cache行，即在每一路里都有一個(gè)cache行與之對(duì)應(yīng)，組索引相同的cache行被稱作處于同一個(gè)組(set)里，這也是組索引命令的由來。擁有相同組索引的cache行稱為組相聯(lián)的。在cache的同一個(gè)組當(dāng)中，數(shù)據(jù)放置的位置具有排他性，可以防止同樣的數(shù)據(jù)被重復(fù)放在一個(gè)組的不同的cache行。

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　　3)全聯(lián)

　　隨著cache控制器的相聯(lián)度提高，沖突的可能性減小了。理想的目標(biāo)是，盡量提高組相聯(lián)程度，使主存地址能夠映射到任意cache行，這樣的cache被稱為全相聯(lián)cache。

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　　硬件設(shè)計(jì)者提高相聯(lián)度的一種方法就是使用內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器CAM(Content Addressable Memory)。在ARM920T處理器核中，ARM使用了CAM來定位cache-tag。ARM920T中的cache是64路組相聯(lián)的。CAM使用一組比較器，以比較輸入的標(biāo)簽地址和存儲(chǔ)在每一個(gè)有效cache行中的cache-tag。CAM采用了與RAM相反的工作方式：RAM是得到一個(gè)地址后再給出數(shù)據(jù);而CAM則是在檢測到給定的數(shù)據(jù)值在存儲(chǔ)器中后，再給出該數(shù)據(jù)的地址。如圖是ARM940T的cache結(jié)構(gòu)圖。訪問地址的tag部分被作為4個(gè)CAM的輸入，輸入標(biāo)簽同時(shí)與存儲(chǔ)在64路中的所有cache標(biāo)簽相比較。如果有一個(gè)匹配，那么數(shù)據(jù)就由cache存儲(chǔ)器提供;如果沒有匹配，存儲(chǔ)器控制器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)失效(miss)信號(hào)。