基于C64x+ DSP高速緩存一致性分析與維護(hù)

高速緩存(CACHE)作為內(nèi)核和低速存儲(chǔ)器之間的橋梁，基于代碼和數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間相關(guān)性，以塊為單位由硬件控制器自動(dòng)加載內(nèi)核所需要的代碼和數(shù)據(jù)。如果所有程序和數(shù)據(jù)的存取都由內(nèi)核完成，基于CACHE的運(yùn)行機(jī)制，內(nèi)核始終能夠得到存儲(chǔ)器中最新的數(shù)據(jù)。但是當(dāng)有其它可以更改存儲(chǔ)器內(nèi)容的部件存在時(shí)，例如不需要內(nèi)核干預(yù)的直接數(shù)據(jù)存?。―MA）引擎，就可能出現(xiàn)由于CACHE的存在而導(dǎo)致內(nèi)核或者DMA不能夠得到最新數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，也就是CACHE一致性的問題。

C64x+ 存儲(chǔ)器架構(gòu)
德州儀器(TI)公司對(duì)高性能C64x核進(jìn)行了改進(jìn)，使其性能大副提升，稱之為C64x+DSP核。C64x+系統(tǒng)的存儲(chǔ)器框圖如圖1所示。存儲(chǔ)器被分成了三級(jí)：第一級(jí)是L1，包含數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（L1D）和代碼存儲(chǔ)器(L1P)；第二級(jí)是代碼和數(shù)據(jù)共用存儲(chǔ)器（L2）；第三級(jí)是外部存儲(chǔ)器，主要是DDR2存儲(chǔ)器。L1P、L1D和L2的CACHE功能分別由相應(yīng)的L1P控制器、L1D控制器和L2控制器完成。表 1總結(jié)了C64x+平臺(tái)上可用的CACHE情況。

圖1 C64x+ 存儲(chǔ)器框圖

表 1 C64x+ CACHE特性

C64x+平臺(tái)上L1P用來(lái)存儲(chǔ)或者緩存代碼；L1D用來(lái)存儲(chǔ)或者緩存數(shù)據(jù)。L1P和L1D大小都是32K字節(jié)，可以分別配置0K、4KB、8KB、16KB或者32KB作為CACHE，其余作為代碼或者數(shù)據(jù)RAM。作為CACHE的部分，用來(lái)緩存L2和DDR2的數(shù)據(jù)或代碼。作為RAM的部分，可以存儲(chǔ)關(guān)鍵的代碼或者數(shù)據(jù)使得內(nèi)核能夠以很高的速度訪問。C64x+平臺(tái)上L2 存儲(chǔ)器可用于存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)。L2上最大可以分配256K字節(jié)CACHE來(lái)緩存DDR2中的數(shù)據(jù)或代碼。L2中其余部分作為RAM存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)。

圖 2 內(nèi)核訪問存儲(chǔ)器流程

高速緩存一致性問題分析
在任何時(shí)刻，內(nèi)核或者其它主機(jī)訪問存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)時(shí)，由于CACHE的存在造成不能夠得到最近更新過(guò)的數(shù)據(jù)，就會(huì)出現(xiàn)CACHE一致性問題。CACHE的一致性問題分為兩個(gè)大類：內(nèi)核讀一致性問題和內(nèi)核寫一致性問題。在下面兩個(gè)小節(jié)中，分別描述了這兩種情況的模型：

內(nèi)核讀一致性模型
圖 3給出了內(nèi)核讀一致性的模型。在這個(gè)模型中，CACHE一致性問題的存在取決于圖中虛線箭頭指示的第二步操作能否在內(nèi)核從CACHE中重新讀數(shù)據(jù)之前完成。如果不能，則會(huì)造成內(nèi)核讀取的數(shù)據(jù)不是其它主機(jī)更新后的數(shù)據(jù)，而是原來(lái)CACHE中的內(nèi)容，從而導(dǎo)致一致性的問題。

圖 3 內(nèi)核讀一致性模型　　

L1P CACHE對(duì)L2內(nèi)存或者DDR2外存中的代碼進(jìn)行緩存。當(dāng)內(nèi)核第一次對(duì)L2或者DDR2中的代碼進(jìn)行讀操作的時(shí)候，由于代碼不在L1P CACHE中，CAHCE硬件會(huì)將L2或者DDR2中的代碼讀到L1P CACHE中。內(nèi)核可以得到最新的代碼，不存在一致性的問題。此后，如果其它主機(jī)更新L2或者DDR2中的代碼，然后內(nèi)核再次讀取此部分代碼時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的代碼已經(jīng)存在L1P CACHE中，此時(shí)內(nèi)核會(huì)直接從L1P CACHE中讀取代碼。由于內(nèi)核不能得到最新的代碼，就出現(xiàn)了內(nèi)核讀一致性的問題。L1D 內(nèi)核讀一致性問題的原理和L1P相同，只是L1D緩存的是L2或者DDR2中的數(shù)據(jù)。

內(nèi)核寫一致性模型
圖 4給出了內(nèi)核寫一致性的模型。在這個(gè)模型中，CACHE一致性問題的存在取決于圖中虛線箭頭指示的第二步操作能否在其它主機(jī)從存儲(chǔ)器中讀數(shù)據(jù)之前完成。如果不能，會(huì)造成其它主機(jī)從存儲(chǔ)器中讀到的數(shù)據(jù)是原來(lái)的數(shù)據(jù)而不是內(nèi)核更新過(guò)的數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致一致性的問題。

圖 4 內(nèi)核寫一致性模型　　

當(dāng)內(nèi)核對(duì)L2或者DDR2中的代碼/數(shù)據(jù)進(jìn)行寫操作的時(shí)候，如果代碼/數(shù)據(jù)已經(jīng)在L1 CACHE中，新的代碼/數(shù)據(jù)會(huì)被更新到L1 CACHE中。當(dāng)其它主機(jī)從L2或者DDR2中讀代碼/數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)直接從L2或者DDR2中讀取相應(yīng)的內(nèi)容，如果L1 CACHE中新的代碼/數(shù)據(jù)未被更新到L2或者DDR2中，則其它主機(jī)讀取的不是更新后的內(nèi)容，就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)核寫一致性的問題。

C64x+ 一致性分析
C64x+上的CACHE一致性問題，需要根據(jù)放置代碼/數(shù)據(jù)的相應(yīng)位置進(jìn)行分析。由于在C64x+平臺(tái)上，L1P、L1D和L2內(nèi)存既可以作為CACHE又可以作為存儲(chǔ)器使用，因此，在分析一致性問題的時(shí)候，需要考慮以下幾種情況：
1) 代碼在L1P存儲(chǔ)器中；2) 代碼在L2存儲(chǔ)器中；3）代碼在DDR2存儲(chǔ)器中；4）數(shù)據(jù)在L1D存儲(chǔ)器中；5）數(shù)據(jù)在L2存儲(chǔ)器中；6）數(shù)據(jù)在DDR2存儲(chǔ)器中。
對(duì)于1)，由于代碼直接在L1P存儲(chǔ)器中，不需要進(jìn)行CACHE，所以不會(huì)存在一致性的問題?！　?/p>

對(duì)于2)和3)，涉及到L1P CACHE，存在代碼的更新能否被內(nèi)核讀到的問題。代碼的更新分成兩種情況：一是內(nèi)核在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)代碼進(jìn)行修改；二是其它主機(jī)對(duì)代碼的修改。這兩種情況下，都會(huì)存在CACHE讀一致性問題，需要由軟件來(lái)維護(hù)?！　?/p>

對(duì)于4)，數(shù)據(jù)直接在L1D存儲(chǔ)器中， 內(nèi)核始終能夠讀到其它主機(jī)更新到L1D內(nèi)存中的內(nèi)容，內(nèi)核寫過(guò)的數(shù)據(jù)也能夠被其它主機(jī)直接從L1D內(nèi)存中讀到。所以不會(huì)存在一致性的問題?！　?/p>

對(duì)于5)，數(shù)據(jù)在L2存儲(chǔ)器，按照上面的分析，會(huì)存在CACHE讀和寫一致性的問題。在C64x+平臺(tái)上這種情況下的一致性問題會(huì)由硬件自動(dòng)維護(hù)。　　

對(duì)于6)，也會(huì)存在CACHE讀和寫一致性的問題，這種情況需要軟件進(jìn)行CACHE一致性的維護(hù)。

C64x+ 高速緩存一致性維護(hù)操作

出現(xiàn)CACHE一致性問題時(shí)，為了保證內(nèi)核或者其它主機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)操作的時(shí)候能夠得到最新的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行CACHE的一致性維護(hù)操作。下面具體分析以上幾種情況在C64x+平臺(tái)上如何進(jìn)行CACHE一致性問題處理：