Symbian OS的硬件——片上系统System-on-Chip(SoC)_缓存

2.2.5 缓存

每个Symbian 电话上使用的CPU都要求有缓存以获得最优性能。缓存的工作是通过持有最近被访问的数据和指令的本地拷贝，把快速的CPU和慢速的内存系统进行隔离。

ARM CPU具有Harvard结构，它有单独的指令和数据端口，相应地就有单独的指令缓存和数据缓存(ICache，DCache)。

缓存借助执行代码重复的本地特征工作。在一个循环里的代码将执行同样的指令，并访问同样的或是类似的数据结构。只要CPU的视图在内存里一致，它不关心数据位于何处——是在RAM里，还是在缓存里。然而，内核不缓存内存映射的外设，因为控制软件对读写外设寄存器有严格的顺序要求。

缓存在cache line里被组织起来，cache line通常包含从一个来自于32字节对齐地址的32个字节数据，以及一个存储这个源地址的标签。一个16KB的缓存将包含512条line。

当CPU请求数据，缓存则确认是否有与请求的地址匹配的line。如果有，请求的数据立即被返回——这个被称为高速缓存命中。如果缓存不包含请求的数据，则产生一个高速缓存未命中。之后，从内存系统将有一个cache line去填充请求的数据，而且随后CPU继续执行。为了确保新cache line的空间，旧cache line将被从缓存里回收。

缓存效率通过它的命中率来衡量——即缓存命中次数与总访问次数的比率。在Symbian OS上，ICache的命中率大约是95%，DCache的命中率是90%。

在高命中率的情况下，CPU能够以接近最快的速度运行，而不用受到内存系统的拖累。这对性能，尤其是对电池寿命来说，都是很美妙的，因为相对于外部内存访问而言，缓存命中只要求很少的电能消耗。

Line填充的操作为内存系统进行了优化，以从内存芯片上吸取顺序发送模式的优点。

一旦MMU被建立起来，缓存也被激活了，它所有的操作将自动执行，而且系统可以更快地运行。EKA2仅需要在缓存必须被擦除时发布缓存控制命令。这可以由以下的某一个原因导致：

●  内存映像在上下文切换时发生了改变

●  新的代码被加载或者现存的代码被丢弃

●  自修改代码的产生

●  从缓存中使用了DMA

2.2.5 .1 虚拟和物理缓存

通过MMU和缓存，CPU被从系统总线隔离开，那么，它们的顺序在Symbian OS上就有了冲突(参见图2.3)。

 

图2.3 虚拟和物理缓存

 

当CPU被直接连接到缓存，缓存则使用虚拟地址，并且它依次告诉MMU在系统总线上生成物理地址(图2.3的左部)。

一个物理寻址的缓存将被直接连接到系统总线，而且通过真实的物理地址被索引。从虚拟到物理的查询则在MMU侧发生，这种查询位于CPU和缓存之间(图2.3的右部)。

2.2.5 .1 ARM v5虚拟缓存

在ARM v5和更早期的系统里，MMU位于CPU和缓存之外，这导致了缓存在MMU的虚拟内存域的内部工作。

在这种设计里，所有存储在缓存里的数据都用虚拟地址进行索引，因而当CPU使用虚拟地址请求数据时，不会为了缓存命中而发出MMU翻译的请求。如果缓存未命中，MMU就被唤起以生成物理总线地址。这种设计减少了MMU的工作量并且节省了电能。

虚拟缓存的不利方面是在每次内核在修改页表时必须清空的部分。内核可以通过丢弃的方式使ICache失效，但它必须把DCache里的脏数据清空到内存系统里去。

不幸的是，当执行线程内上下文转换时，Symbian OS移动内存模型要修改虚拟地址映像。这意味着可能要消耗掉很多毫秒的缓存清空是必需的，这就导致了系统性能上的重大损失。在 7.2.1 节，会看到Symbian OS使用独特的被调用固定进程来减小这种缓存清空。

2.2.5 .3 ARM v6物理缓存

ARM结构的第六版引入了全新的MMU，它有新的页表布局、物理缓存、进程应用空间标识符(ASID)，并支持2级缓存和IO内存空间。

ARM v6的CPU，比如在1136上，总是在缓存上使用物理地址。这就要求MMU更好地工作以执行每个来自于CPU核心的从虚拟地址到物理地址的查询请求。这项工作通常借助TLB查询。

这种方案的优点在于缓存与物理内存映像是一直同步的，而与虚拟映像的变化无关。该方案还在上下文切换的过程中避免了缓存清空。

为了更好地提升性能，v6 MMU模型引入了应用空间标识符，被称为ASIDs。每个ASID有自己的4KB或8KB PDE，以供地址空间底部的1GB或2GB使用。改变ASID将立刻换出这个地址空间。

就如我将在 7.4.2 节所解释的，EKA2为每个它创建的进程分配了一个ASID，这导致了更快的上下文切换。

2.2.5 .4 指令缓存(ICache)

ICache包含最近被执行的指令，以备它们被复用。ICache里的指令不能被修改，因而可以认为它是只读设备。

当发生缓存未命中，一个line需要被回收的时候，它马上被新的指令重写。这是允许的，虽然它是只读的而且不能修改。在从系统中取下代码的时候，为了保证派生码或自修改码的一致，缓存清空操作是唯一必须的。

为 THUMB指令集编译的代码有一个优势，那就是在ICache上可以适应两倍于ARM的指令。这有助于弥补它在稍慢的性能方面的劣势。

2.2.5 .5 数据缓存(DCache)

当CPU在读数据时，DCache以与ICache一样的方式工作。在缓存里命中的数据被马上返回，而未命中的数据则将从主存上取得，并取代最近被清空line。

数据相关的复杂性被写进了DCache和把它返回给内存的联合策略中。

对于write-through模式的缓存，每次CPU写数据，它都将通过write buffer马上被写出到内存，如果有命中数据则更新缓冲过的拷贝。

write-through缓存保证了内存总是与缓存保持一致。Cache line回收和缓存清空操作不需要往内存回写任何数据，但要允许可以在任何时候丢弃line。

不利方面是系统总线必须支持CPU全速写数据，而且缓存只在读的时候才有效。

Symbian OS为LCD frame buffer使用write-through caching，以保证在显示器上有稳定的像素。因为有了write buffer，写入新像素数据将稍稍获得速度上的提升，而且read–modify–write操作在缓存的作用下将是半自动的。但是，把整个Symbian OS都在write-through cached系统上运行，性能要降低30%以上。

为了在读写时完全利用DCache，Symbian OS使用了一种称为copy-back的方案。命中了的写操作保留在缓存里，在缓存里它们有可能被再次重写。通过在回收的时候才写一次数据，Copy-back大大减少了写操作产生的负担。

被修改的Cache line用dirty bit进行标记，通常两个dirty bit用于一对half line。在回收cache line的时候读取dirty bit的值，被标记了的half line要通过write buffer写回内存。half line用于减少未修改的数据产生写操作，因为未被修改的数据可以被忽略。

清除copy-back缓存上的全部内容需要消耗一些时间，这是因为这些内容可能都已经被修改。

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说明： 本文由Bequan翻译自Symbian Press的Symbian OS Internals: Real-time Kernal Programming一书。任何人需要转载或引用，请先通过Email(a-pangu@163.com或symbianchn@gmail.com)与Bequan联系，在获得许可后方可转载或引用，否则视为侵权行为。转载或引用时，请在文章中注明上述翻译信息。