高速緩存" title="高速緩存">高速緩存(CACHE)作為內(nèi)核和低速存儲器之間的橋梁，基于代碼和數(shù)據(jù)的時間和空間相關(guān)性，以塊為單位由硬件控制器自動加載內(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的運行機制，內(nèi)核始終能夠得到存儲器中最新的數(shù)據(jù)。但是當(dāng)有其它可以更改存儲器內(nèi)容的部件存在時，例如不需要內(nèi)核干預(yù)的直接數(shù)據(jù)存取（DMA）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" title="一致性">一致性的問題。

C64x" title="C64x">C64x+ 存儲器架構(gòu)

德州儀器(TI)公司對高性能C64x核進行了改進，使其性能大副提升，稱之為C64x+DSP" title="DSP">DSP核。C64x+系統(tǒng)的存儲器框圖如圖1所示。存儲器被分成了三級：第一級是L1，包含數(shù)據(jù)存儲器（L1D）和代碼存儲器(L1P)；第二級是代碼和數(shù)據(jù)共用存儲器（L2）；第三級是外部存儲器，主要是DDR2存儲器。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+平臺上可用的CACHE情況。

 

圖1 C64x+ 存儲器框圖

表 1 C64x+ CACHE特性

C64x+平臺上L1P用來存儲或者緩存代碼；L1D用來存儲或者緩存數(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，用來緩存L2和DDR2的數(shù)據(jù)或代碼。作為RAM的部分，可以存儲關(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+平臺上L2 存儲器可用于存儲代碼和數(shù)據(jù)。L2上最大可以分配256K字節(jié)CACHE來緩存DDR2中的數(shù)據(jù)或代碼。L2中其余部分作為RAM存儲代碼和數(shù)據(jù)。
 

圖 2 內(nèi)核訪問存儲器流程

高速緩存一致性問題分析

在任何時刻，內(nèi)核或者其它主機訪問存儲器中數(shù)據(jù)時，由于CACHE的存在造成不能夠得到最近更新過的數(shù)據(jù)，就會出現(xiàn)CACHE一致性問題。CACHE的一致性問題分為兩個大類：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，則會造成內(nèi)核讀取的數(shù)據(jù)不是其它主機更新后的數(shù)據(jù)，而是原來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L2內(nèi)存或者DDR2外存中的代碼進行緩存。當(dāng)內(nèi)核第一次對L2或者DDR2中的代碼進行讀操作的時候，由于代碼不在L1P CACHE中，CAHCE硬件會將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，會發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的代碼已經(jīng)存在L1P CACHE中，此時內(nèi)核會直接從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從存儲器中讀數(shù)據(jù)之前完成。如果不能，會造成其它主機從存儲器中讀到的數(shù)據(jù)是原來的數(shù)據(jù)而不是內(nèi)核更新過的數(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L2或者DDR2中的代碼/數(shù)據(jù)進行寫操作的時候，如果代碼/數(shù)據(jù)已經(jīng)在L1 CACHE中，新的代碼/數(shù)據(jù)會被更新到L1 CACHE中。當(dāng)其它主機從L2或者DDR2中讀代碼/數(shù)據(jù)的時候，會直接從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，則其它主機讀取的不是更新后的內(nèi)容，就會出現(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)位置進行分析。由于在C64x+平臺上，L1P、L1D和L2內(nèi)存既可以作為CACHE又可以作為存儲器使用，因此，在分析一致性問題的時候，需要考慮以下幾種情況：

1) 代碼在L1P存儲器中；2) 代碼在L2存儲器中；3）代碼在DDR2存儲器中；4）數(shù)據(jù)在L1D存儲器中；5）數(shù)據(jù)在L2存儲器中；6）數(shù)據(jù)在DDR2存儲器中。

對于1)，由于代碼直接在L1P存儲器中，不需要進行CACHE，所以不會存在一致性的問題。