嵌入式系统中的cache问题

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1、嵌入式系统中的CACHE问题

2、第1内容加载中...２问题的分析要解释这个问题，首先要了解ＣＡＣＨＥ的工作模式。ＣＡＣＨＥ的基本工作模式有两种：ｗｒｉｔｅ－ｔｈｒｏｕｇｈ模式和ｃｏｐｙｂａｃｋ模式。在ｗｒｉｔｅ－ｔｈｒｏｕｇｈ模式下，所有的写操作都写入ＣＡＣＨＥ和ＲＡＭ，保证了ＣＡＣＨＥ和ＲＡＭ的一致。然而，每次对ＲＡＭ都有写操作会使处理器的处理能力降低，并且占用总线带宽。在ｃｏｐｙｂａｃｋ模式下，写操作只写入ＣＡＣＨＥ，不写入ＲＡＭ，从而提高了处理器性能和总线带宽。ｃｏｐｙｂａｃｋ模式下，ＣＡＣＨＥ中的内容只有在需要的时候才写到ＲＡＭ中。

3、当ＣＡＣＨＥ中无可用空间时，一般使用最近最少使用算法（ＬＲＵ）来决定哪一个ＣＡＣＨＥ项被替换。ｃｏｐｙｂａｃｋ模式提供了很高的系统性能，但是需要更多的一致性作保证。为了便于理解，给出一个使用了ＣＡＣＨＥ的系统的逻辑框图，如图１所示。该系统中两个地方会发生ＣＡＣＨＥ的不一致性：（１）数据ＣＡＣＨＥ／ＲＡＭ数据ＣＡＣＨＥ与ＲＡＭ之间的问题源于处理器和其他总线控制器对ＲＡＭ的异步读写访问。ＤＭＡ设备和其他总线控制器对ＲＡＭ的访问是引起ＣＡＣＨＥ一致性问题的主要原因，这个问题可以通过在程序中加入一些代码来解决。（２）共享ＣＡＣＨＥＬＩＮＥ当一个Ｃ

4、ＡＣＨＥＬＩＮＥ被两个以上的线程共享时，也会产生一致性问题。当某个线程使一个ＣＡＣＨＥＬＩＮＥ无效时，这个ＣＡＣＨＥＬＩＮＥ中的一些项可能属于另外一个线程。这个问题也可以通过一定的方法来避免，只要在分配内存时大小是ＣＡＣＨＥＬＩＮＥ大小的整数倍即可。在哈佛体系结构、ｃｏｐｙｂａｃｋ模式和无软件干预的前提下，最佳的保持一致性的方法就是使用具有总线监听能力的硬件。将ＣＡＣＨＥ、ＲＡＭ、ＤＭＡ设备和其它所有的总线主控设备都连到一个物理总线上，以使ＣＡＣＨＥ可以对该总线上的总线交互过程进行监听，ＣＡＣＨＥ将对总线上的地址周期和控制（读／写）比特监

5、听，数据周期则被延迟到需要时才进行。当ＣＡＣＨＥ中的一项被一个异步操作修改时，该ＣＡＣＨＥ项就会被标为无效。如果处理器对一个已经被标为无效的ＣＡＣＨＥ项进行访问时，ＣＡＣＨＥ就会从ＲＡＭ中重新载入有效数据。在ｃｏｐｙｂａｃｋ模式下，处理器对ＣＡＣＨＥ进行写操作时，ＲＡＭ相应地址中的内容就变成过时。如果另外一个设备想访问ＲＡＭ中的这部分内容，ＣＡＣＨＥ就会抢占该访问周期，将有效的数据写入ＲＡＭ。然后被抢占的访问周期重新开始并将读到ＲＡＭ中的有效数据。但是，目前提供监听能力的板子并不多。３解决的方法根据上面的分析和讨论，可见问题正是由数据ＣＡ

6、ＣＨＥ／ＲＡＭ的不一致性引起的。虽然关掉ＣＡＣＨＥ就可以解决一致性的问题，并且能够减小程序开发的复杂度。但是一个高性能的系统是需要ＣＡＣＨＥ的，关掉ＣＡＣＨＥ会大大降低系统的性能。因此，本文仅讨论在程序中加入代码来克服一致性问题的方法。可以采用以下几种加入代码的方法来解决一致性的问题本文使用ＷＩＮＤＲＩＶＥＲ公司的嵌入式实时多任务操作系统ＶｘＷＯＲＫＳ，下面的函数都是ＶｘＷＯＲＫＳ提供的：（１）对于时间上不是那么关键的程序段，可以先用下面的代码维护数据ＣＡＣＨＥ的一致性。ｃａｃｈｅＩｎｖａｌｉｄａｔｅＤＡＴＡ＿ＣＡＣＨＥａｄｄｒｅ

7、ｓｓｂｙｔｅｓ／输入缓冲区／．．．ｃａｃｈｅＦｌｕｓｈＤＡＴＡ＿ＣＡＣＨＥａｄｄｒｅｓｓｂｙｔｅｓ／输出缓冲区／（２）对于时间上比较关键的程序段采用如下原则：在每次使用输出缓冲区前将其更新；在每次使用输入缓冲区前使其无效。将缓冲区标示为“ｎｏｎ－ｃａｃｈｅａｂｌｅ”可以防止一致性问题，这需要ＭＭＵ支持。在分配缓冲区时，将其标示为“ｎｏｎ－ｃａｃｈｅａｂｌｅ”即可。然而，动态缓冲区在释放时要标为“ｃａｃｈｅａｂｌｅ”，否则内存总会产生大量的缓冲区碎片。下面给出一个高性能的驱动程序例子，它把更新／无效的概念进行了扩展

8、。不是对整个ＣＡＣＨＥ系统，而是对每一个缓冲区都这样做。即通过分配对ＣＡＣＨＥ安全的缓冲区，在一个缓冲区的基础上操作，从而防止了不需要的更新／无效操作。在这个例子中使用了ＣＡＣＨＥ库中的函数ｃａｃｈｅＤＭＡＭａｌｌｏｃ，宏ＣＡＣＨＥ＿ＤＭＡ＿ＩＮＶＡＬＩＤＡＴＥ和ＣＡＣＨＥ＿ＤＭＡ＿ＦＬＵＳＨ实现一致性。在第４行调用函数ｃａｃｈｅＤＭＡＭａｌｌｏｃ后，如果指针返回为非空，则说明分配到了一块对于一致性问题来说是安全的缓冲区。第７行驱动程序在缓冲区中写入要传给外部设备的数据，在第９行准备传给外设之前，驱动程序必须更新数据ＣＡＣＨＥ以保

9、证要传的数据是在内存中，而不是在ＣＡＣＨＥ中。当驱动程序准备读外设传给内存的数据，在第１３行驱动程序处理这些数据之前，必须使数据ＣＡＣＨＥ中对应于输入缓冲区的那部分无效以消除这些包含过时内容的