嵌入式系統(tǒng)中的CACHE問題

摘要：描述了在實時嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中遇到的與ＣＡＣＨＥ有關的問題。對引起這些問題的原因——ＣＡＣＨＥ和ＲＡＭ的不一致性進行了討論。最后，提出了解決問題的方法。關鍵詞：嵌入式實時系統(tǒng) ＣＡＣＨＥ 不一致性 隨著社會的發(fā)展、人們生活水平的提高，人們對嵌入式計算機應用的要求也越來越高。因此，對嵌入式系統(tǒng)的性能要求也越來越高。明顯體現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)的ＣＰＵ速度的不斷提高上。但問題也隨之而來，嵌入式ＣＰＵ的主頻不斷地提高，一方面加強了ＣＰＵ的處理能力，另一方面，在速度上造成了與慢速的系統(tǒng)存儲器極不相配的情況，從而影響了整個系統(tǒng)的性能。 為了解決這個問題，引入了ＣＡＣＨＥ技術。ＣＡＣＨＥ是一種高速緩沖存儲器，是為了解決ＣＰＵ和主存之間速度不匹配而采用的一項重要技術。通過在主存和高速ＣＰＵ之間設置一個小容量的高速存儲器，在其中存放ＣＰＵ常用的指令和數(shù)據(jù)，ＣＰＵ對存儲器的訪問主要體現(xiàn)在對ＳＲＡＭ的存取，ＣＰＵ可以不必加等待狀態(tài)而保持高速操作。 采用ＣＡＣＨＥ技術，解決了ＣＰＵ與主存之間速度不匹配的問題；但它又帶來了一些其它問題，如本文將提到的一致性問題。 １ 問題的發(fā)現(xiàn)與原因 在進行某嵌入式系統(tǒng)項目的開發(fā)過程中，有一個環(huán)節(jié)需要使用ＤＭＡ方式進行數(shù)據(jù)傳輸。當程序運行后，發(fā)現(xiàn)傳到目的地的數(shù)據(jù)塊中經常會有一些錯誤的字節(jié)。如：數(shù)據(jù)本應為００ ０１ ０２ ０３ ０４ ０５ ０６ ０７ ０８ ０９ ０Ａ ０Ｂ ．．．（１６進制），結果卻是００ ０１ ０２ ０３ ００ ００ ００ ００ ０８ ０９ ０Ａ ０Ｂ ．．．。在某些環(huán)節(jié)也出現(xiàn)了類似的問題。例如，通過ＨＤＬＣ通道向外發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送的總是緩沖區(qū)初始化時的內容，實際要發(fā)送的數(shù)據(jù)總是發(fā)不出去，但使用調試工具看內存中的數(shù)據(jù)，卻是正確的。 經過一段時間的調試，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這種現(xiàn)象的環(huán)節(jié)都使用了ＤＭＡ傳輸數(shù)據(jù)。在通過ＨＤＬＣ通道發(fā)送數(shù)據(jù)的例子中，ＨＤＬＣ通道內部也是用ＤＭＡ方式從內存直接讀數(shù)據(jù)并向外發(fā)送。經過分析，認為問題的原因是出在ＣＡＣＨＥ上，是由于ＣＡＣＨＥ數(shù)據(jù)與內存數(shù)據(jù)的不一致性造成的。 所謂ＣＡＣＨＥ數(shù)據(jù)與內存數(shù)據(jù)的不一致性，是指：在采用ＣＡＣＨＥ的系統(tǒng)中，同樣一個數(shù)據(jù)可能既存在于ＣＡＣＨＥ中，也存在于主存中，數(shù)據(jù)一樣則具有一致性，數(shù)據(jù)若不一樣就叫做不一致性。具體表現(xiàn)在兩個方面： （１）更新時可能ＣＡＣＨＥ中的數(shù)據(jù)更新，而主存未更新，則造成數(shù)據(jù)丟失； （２）在有ＤＭＡ控制器的系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)中，有多個部件可以訪問主存。這時，可能其中有些部件是直接訪問主存，也可能每個ＤＭＡ部件和處理器配置一個ＣＡＣＨＥ。這樣，主存的一個區(qū)塊可能對應于多個ＣＡＣＨＥ中的一個區(qū)塊。于是會產生主存中的數(shù)據(jù)被某個總線部件更新過，而某個ＣＡＣＨＥ中的內容未更新，造成數(shù)據(jù)過時。２ 問題的分析 要解釋這個問題，首先要了解ＣＡＣＨＥ的工作模式。ＣＡＣＨＥ的基本工作模式有兩種：ｗｒｉｔｅ－ｔｈｒｏｕｇｈ模式和 ｃｏｐｙｂａｃｋ模式。在ｗｒｉｔｅ－ｔｈｒｏｕｇｈ模式下，所有的寫操作都寫入ＣＡＣＨＥ和ＲＡＭ，保證了ＣＡＣＨＥ和ＲＡＭ的一致。然而，每次對ＲＡＭ都有寫操作會使處理器的處理能力降低，并且占用總線帶寬。在ｃｏｐｙｂａｃｋ模式下，寫操作只寫入ＣＡＣＨＥ，不寫入ＲＡＭ，從而提高了處理器性能和總線帶寬。ｃｏｐｙｂａｃｋ模式下，ＣＡＣＨＥ中的內容只有在需要的時候才寫到ＲＡＭ中。當ＣＡＣＨＥ中無可用空間時，一般使用最近最少使用算法（ＬＲＵ）來決定哪一個ＣＡＣＨＥ項被替換。ｃｏｐｙｂａｃｋ模式提供了很高的系統(tǒng)性能，但是需要更多的一致性作保證。為了便于理解，給出一個使用了ＣＡＣＨＥ的系統(tǒng)的邏輯框圖，如圖１所示。 該系統(tǒng)中兩個地方會發(fā)生ＣＡＣＨＥ的不一致性： （１）數(shù)據(jù)ＣＡＣＨＥ ／ ＲＡＭ 數(shù)據(jù)ＣＡＣＨＥ與ＲＡＭ之間的問題源于處理器和其他總線控制器對ＲＡＭ的異步讀寫訪問。ＤＭＡ設備和其他總線控制器對ＲＡＭ的訪問是引起ＣＡＣＨＥ一致性問題的主要原因，這個問題可以通過在程序中加入一些代碼來解決。 （２）共享ＣＡＣＨＥ ＬＩＮＥ 當一個ＣＡＣＨＥ ＬＩＮＥ被兩個以上的線程共享時，也會產生一致性問題。當某個線程使一個ＣＡＣＨＥ ＬＩＮＥ無效時，這個ＣＡＣＨＥ ＬＩＮＥ中的一些項可能屬于另外一個線程。這個問題也可以通過一定的方法來避免，只要在分配內存時大小是ＣＡＣＨＥ ＬＩＮＥ大小的整數(shù)倍即可。 在哈佛體系結構、ｃｏｐｙｂａｃｋ模式和無軟件干預的前提下，最佳的保持一致性的方法就是使用具有總線監(jiān)聽能力的硬件。將ＣＡＣＨＥ、ＲＡＭ、ＤＭＡ設備和其它所有的總線主控設備都連到一個物理總線上，以使ＣＡＣＨＥ可以對該總線上的總線交互過程進行監(jiān)聽，ＣＡＣＨＥ將對總線上的地址周期和控制（讀／寫）比特監(jiān)聽，數(shù)據(jù)周期則被延遲到需要時才進行。當ＣＡＣＨＥ中的一項被一個異步操作修改時，該ＣＡＣＨＥ項就會被標為無效。如果處理器對一個已經被標為無效的ＣＡＣＨＥ項進行訪問時，ＣＡＣＨＥ就會從ＲＡＭ中重新載入有效數(shù)據(jù)。在ｃｏｐｙｂａｃｋ模式下，處理器對ＣＡＣＨＥ進行寫操作時，ＲＡＭ相應地址中的內容就變成過時。如果另外一個設備想訪問ＲＡＭ中的這部分內容，ＣＡＣＨＥ就會搶占該訪問周期，將有效的數(shù)據(jù)寫入ＲＡＭ。然后被搶占的訪問周期重新開始并將讀到ＲＡＭ中的有效數(shù)據(jù)。但是，目前提供監(jiān)聽能力的板子并不多。 ３ 解決的方法 根據(jù)上面的分析和討論，可見問題正是由數(shù)據(jù)ＣＡＣＨＥ ／ ＲＡＭ的不一致性引起的。雖然關掉ＣＡＣＨＥ就可以解決一致性的問題，并且能夠減小程序開發(fā)的復雜度。但是一個高性能的系統(tǒng)是需要ＣＡＣＨＥ的，關掉ＣＡＣＨＥ會大大降低系統(tǒng)的性能。因此，本文僅討論在程序中加入代碼來克服一致性問題的方法。 可以采用以下幾種加入代碼的方法來解決一致性的問題本文使用ＷＩＮＤ ＲＩＶＥＲ公司的嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)ＶｘＷＯＲＫＳ，下面的函數(shù)都是ＶｘＷＯＲＫＳ提供的： （１）對于時間上不是那么關鍵的程序段，可以先用下面的代碼維護數(shù)據(jù)ＣＡＣＨＥ的一致性。 ｃａｃｈｅＩｎｖａｌｉｄａｔｅ ＤＡＴＡ＿ＣＡＣＨＥ ａｄｄｒｅｓｓ ｂｙｔｅｓ ／ 輸入緩沖區(qū)／ ．．． ｃａｃｈｅＦｌｕｓｈ ＤＡＴＡ＿ＣＡＣＨＥ ａｄｄｒｅｓｓ ｂｙｔｅｓ ／輸出緩沖區(qū)／ （２）對于時間上比較關鍵的程序段采用如下原則：在每次使用輸出緩沖區(qū)前將其更新；在每次使用輸入緩沖區(qū)前使其無效。 將緩沖區(qū)標示為“ｎｏｎ－ｃａｃｈｅａｂｌｅ”可以防止一致性問題，這需要ＭＭＵ支持。在分配緩沖區(qū)時，將其標示為“ｎｏｎ－ｃａｃｈｅａｂｌｅ”即可。然而，動態(tài)緩沖區(qū)在釋放時要標為“ｃａｃｈｅａｂｌｅ”，否則內存總會產生大量的緩沖區(qū)碎片。 下面給出一個高性能的驅動程序例子，它把更新／無效的概念進行了擴展。不是對整個ＣＡＣＨＥ系統(tǒng)，而是對每一個緩沖區(qū)都這樣做。即通過分配對ＣＡＣＨＥ安全的緩沖區(qū)，在一個緩沖區(qū)的基礎上操作，從而防止了不需要的更新／無效操作。在這個例子中使用了ＣＡＣＨＥ庫中的函數(shù)ｃａｃｈｅＤＭＡＭａｌｌｏｃ ，宏ＣＡＣＨＥ＿ＤＭＡ＿ＩＮＶＡＬＩＤＡＴＥ和ＣＡＣＨＥ＿ＤＭＡ＿ＦＬＵＳＨ實現(xiàn)一致性。在第４行調用函數(shù)ｃａｃｈｅＤＭＡＭａｌｌｏｃ 后，如果指針返回為非空，則說明分配到了一塊對于一致性問題來說是安全的緩沖區(qū)。 第７行驅動程序在緩沖區(qū)中寫入要傳給外部設備的數(shù)據(jù)，在第９行準備傳給外設之前，驅動程序必須更新數(shù)據(jù)ＣＡＣＨＥ以保證要傳的數(shù)據(jù)是在內存中，而不是在ＣＡＣＨＥ中。 當驅動程序準備讀外設傳給內存的數(shù)據(jù)，在第１３行驅動程序處理這些數(shù)據(jù)之前，必須使數(shù)據(jù)ＣＡＣＨＥ中對應于輸入緩沖區(qū)的那部分無效以消除這些包含過時內容的條目。之后，驅動程序才能安全地處理從內存中取來的輸入數(shù)據(jù)。 １: ＳＴＡＴＵＳ ｄｒｖＥｘａｍｐｌｅ ｐＢｕｆ ２: ｖｏｉｄ ｐＢｕｆ ／ 緩沖區(qū)指針 ／ ３: { /*  ４： ｐＢｕｆ ＝ ｃａｃｈｅＤＭＡＭａｌｌｏｃ ＢＵＦ＿ＳＩＺＥ ５： ｉｆ ｐＢｕｆ ＝＝ ＮＵＬＬ ６： ｒｅｔｕｒｎ ＥＲＲＯＲ ／內存分配失?、潱? ７: ／其它初始化代碼和向發(fā)送緩沖區(qū)填數(shù)據(jù)／ ８: ＣＡＣＨＥ＿ＤＭＡ＿ＦＬＵＳＨ ｐＢｕｆ ＢＵＦ＿ＳＩＺＥ ９: ｄｒｖＷｒｉｔｅ ｐＢｕｆ ／向外設發(fā)送數(shù)據(jù)／ １０: …… ／ 其它代碼 ／ １１: ｄｒｖＷａｉｔ  ／等待外設來的數(shù)據(jù)／ １２: ＣＡＣＨＥ＿ＤＭＡ＿ＩＮＶＡＬＩＤＡＴＥ ｐＢｕｆ ＢＵＦ＿ＳＩＺＥ １３: ／ 處理外設來的數(shù)據(jù) ／ １４: ｃａｃｈｅＤＭＡＦｒｅｅ ｐＢｕｆ ／釋放內存 ／ １５: ｒｅｔｕｒｎ ＯＫ １６:} linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）