Linux内核空间用来设置内存映射区域的缓存属性的pgprot_* 系列函数的详细介绍【CPU核心、Cache(高速缓存)、写缓冲器、主存之间的关系；Cache和写缓冲器的详细介绍】

原理示意图

Cache 和 写缓冲器 是 CPU 的核心组成部分，属于 CPU 微架构设计的一部分。

下图是CPU核心、Cache(高速缓存)、写缓冲器、主存之间的关系。

Cache(高速缓存) 相当于是一块高速内存；写缓冲器相当于一个 FIFO，可以把多个写操作集合起来一次写入内存。

Cache(高速缓存)的详细介绍

Cache(高速缓存)的概要介绍

Cache 是 CPU 内部（或者在某些情况下，靠近 CPU 的芯片上）的一种高速存储器，用来存储近期访问的数据或指令的副本。

• 特性：
  • Cache 通常分为多级（L1、L2、L3），L1 最靠近 CPU，速度最快，但容量最小。
  • Cache 数据通常以缓存行（Cache Line）为单位存储和管理。
  • 通过保持数据的局部性（时间局部性和空间局部性）来提高性能。

Cache(高速缓存)的读操作原理和流程

• 当 CPU 需要访问内存中的某块数据时，会首先检查 Cache 中是否有该数据（称为 Cache 命中）。
• 如果数据命中，则直接从 Cache 中读取，速度远高于从主内存读取。
• 如果数据未命中（Cache Miss），则需要从主存（RAM）中加载数据，同时可能更新 Cache。

Cache(高速缓存)的写操作原理和流程

在启用了 Cache 的情况下，写数据通常会遵循以下流程：数据优先写入 Cache，然后根据 Cache 的策略再写入主存（内存）。以下是主要的写策略策的工作原理。

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1. Write-Through（写直达）

• 工作原理：
  • 数据被写入 Cache 的同时，立即写入主存（内存）。
  • Cache 和主存始终保持同步。
• 优点：
  • 数据一致性较高，主存始终是最新的数据。
  • 如果发生 Cache Miss，主存的数据仍然是有效的。
• 缺点：
  • 写操作速度较慢，因为每次写入都需要同时更新主存，无法充分利用 Cache 的性能。
• 适用场景：
  • 对数据一致性要求较高的场景。

2. Write-Back（写回）

• 工作原理：
  • 数据只写入 Cache，并标记该 Cache Line 为“已修改”（Dirty）。
  • 数据不会立即写入主存，只有在以下情况之一时才会写回主存：
    1. 该 Cache Line 被替换（即被新的数据占用时）。
    2. 主动使用指令或操作（如 flush）将数据刷新到主存。
• 优点：
  • 写操作效率更高，因为减少了对主存的直接写入次数。
  • 对多个连续写操作，可以在 Cache 中合并，从而提高性能。
• 缺点：
  • 数据一致性较难维护，主存中的数据可能是旧的。
  • 如果系统崩溃或电源中断，可能会导致 Cache 中的数据丢失。
• 适用场景：
  • 对性能要求高且能容忍一定数据一致性延迟的场景。

3. Write Combining（写合并）

• 工作原理：
  • 对多个连续的写操作进行合并，在写缓冲器中批量写入主存。
  • 通常用于图像处理、DMA 传输等场景。
• 优点：
  • 减少主存写操作次数，提高总的写性能。
• 缺点：
  • 数据一致性依赖于合并策略，可能会引入延迟。
• 适用场景：
  • 高吞吐量、低数据一致性要求的场景，如硬件设备缓冲区。

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写数据的典型流程（以 Write-Back 为例）

1. 写入 Cache：

   • CPU 通过 Cache Controller 将数据存储到 Cache 中。
   • 如果目标地址的 Cache Line 已存在（命中），更新对应的数据。
   • 如果未命中，先从主存加载目标地址的 Cache Line，再写入新的数据。

2. 标记 Dirty：

   • 更新 Cache Line 的标志位，标记为“已修改”（Dirty）。

3. 延迟写回：

   • 数据不会立即写入主存。
   • 当 Cache Line 被替换或需要刷新的时候，Cache Controller 会将 Dirty 数据写回主存。

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数据一致性问题

由于数据在 Cache 和主存之间可能存在延迟写入，所以可能会导致以下问题：

• 数据一致性问题：

  • 如果 CPU 或设备访问的是主存而不是 Cache，可能读取到旧数据。
  • 多核 CPU 或其他硬件设备共享同一内存区域时，需要特别处理一致性。

• 解决方法：

  1. 内存屏障（Memory Barrier）：
     • 强制确保在屏障之前的所有操作完成后，才执行屏障之后的操作。
  2. Cache 刷新（Cache Flush）：
     • 使用指令（如 clflush）将 Cache 数据强制写回主存。
  3. 禁止 Cache：
     • 对某些关键内存区域（如设备寄存器），可以禁用 Cache 或使用 Non-Cached 模式。

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总结

启用 Cache 后，写数据是先写入 Cache，然后再根据策略写入主存。具体的写行为取决于 Cache 策略（Write-Through、Write-Back 或 Write Combining）：

• Write-Through：实时同步到主存，数据一致性高，但效率较低。
• Write-Back：延迟写回主存，性能更高，但需要注意一致性问题。
• Write Combining：合并写入，适用于连续写操作，但一致性较弱。

写缓冲器的介绍

其实在看了上面的关于Cache(高速缓存)“写合并”策略，就知道了写缓冲器是怎么回事儿了。

重要概念:主存(内存)中的数据除了可以被 CPU 修改,也可能被其他硬件或设备修改

主存中的数据不仅可以被 CPU 修改，还可能通过以下途径被其他设备修改：

1. DMA 设备（如硬盘、网卡、GPU 等）。
2. 外设映射内存（Memory-Mapped I/O）。
3. 多核 CPU。
4. GPU。