通过以上的说明,我们可以了解到CPU是怎么通过ICaches执行指令的。你可能会有这个疑问,ICaches总共只有512个条目(entry),当512个条目都被填充完之后,CPU要把新读取近来的指令放到哪个条目上呢?答案是CPU会把新读取近来的8个word从512个条目中选择一个对其进行写入,那CPU是怎么选出一个条目来的呢?这就关系到ICaches的替换法则(replacemnet algorithm)了。ICaches的replacemnet algorithm有两种,一种是Random模式另一种Round-Robin模式,我们可以通过CP15协处理器中寄存器1的RR bit对其进行指定(0 = Random replacement 1 = Round robin replacement),如果有需要你还可以进行指令锁定(INSTRUCTION CACHE LOCKDOWN)。
关于替换法则和指令锁定我就不做详细的讲解,感兴趣的朋友可以找相关的资料进行了解。
接下来我们谈数据缓存(DCaches)和 写缓存(write buffer)
DCaches使用的是虚拟地址,它的大小是16KB,它被分成512行(entry),每行8个字(8 words,32Bits)。每行有两个修改标志位(dirty bits),第一个标志位标识前4个字,第二个标志位标识后4个字,同时每行中还有一个TAG 地址(标签地址)和一个valid bit。
与ICaches一样,系统上电或重起(Reset)的时候,DCaches功能是被关闭的,我们必须往Ccr bit置1去开启它,Ccr bit在CP15协处理器中控制寄存器1的第2位(关闭DCaches功能则是往该位置0)。与ICaches不同,DCaches功能是必须在MMU开启之后才能被使用的。
我们现在讨论的都是DCaches,你可能会问那Write Buffer呢?他和DCaches区别是什么呢? 其实DCaches和Write Buffer两者间的操作有着非常紧密的联系,很抱歉,到目前为止我无法说出他们之间有什么根本上的区别(-_-!!!),但我能告诉你什么时候使用的是DCaches,什么时候使用的是Write Buffer.系统可以通过Ccr bit对Dcaches的功能进行开启与关闭的设定,但是在s3c2410中却没有确定的某个bit可以来开启或关闭Write Buffer…你可能有点懵…我们还是来看一张表吧,这张表说明了DCaches,Write Buffer和CCr,Ctt (descriptor中的C bit),Btt(descriptor中的B bit)之间的关系,其中“Ctt and Ccr”一项里面的值是 Ctt与Ccr进行逻辑与之后的值(Ctt&&Ccr).
从上面的表格中我们可以清楚的知道系统什么时候使用的是DCaches,什么时候使用的是Write Buffer,我们也可以看到DCaches的写回方式是怎么决定的(write-back or write-througth)。
在这里我要对Ctt and Ccr=0进行说明,能够使Ctt and Ccr=0的共有三种情况,分别是
Ctt =0, Ccr=0
Ctt =1, Ccr=0
Ctt =0, Ccr=1
我们分别对其进行说明。
- 情况1(Ctt =0, Ccr=0):这种情况下CPU的DCaches功能是关闭的(Ccr=0),所以CPU存取数据的时候不会从DCaches里进行数据地查询,CPU直接去内存存取数据。
- 情况2(Ctt =1, Ccr=0):与情况1相同。
- 情况3(Ctt =0, Ccr=1):这种情况下DCaches功能是开启的,CPU读取数据的时候会先从DCaches里进行数据地查询,若DCaches中没有合适的数据,则CPU会去内存进行读取,但此时由于Ctt =0(Ctt 是descriptor中的C bit,该bit决定该descriptor所描述的内存区域是否可以被Cache),所以CPU不会把读取到的数据Cache到DCaches(不发生linefill).
到此为止我们用两句话总结一下DCaches与Write Buffer的开启和使用:
1.DCaches与Write Buffer的开启由Ccr决定。
2.DCaches与Write Buffer的使用规则由Ctt和Btt决定。
DCaches与ICaches有一个最大的不同,ICaches存放的是指令,DCaches存放的是数据。程序在运行期间指令的内容是不会改变的,所以ICaches中指令所对应的内存空间中的内容不需要更新。但是数据是随着程序的运行而改变的,所以DCaches中数据必须被及时的更新到内存(这也是为什么ICaches没有写回操作而DCaches提供了写回操作的原因)。提到写回操作,就不得不提到PA TAG 地址(物理标签地址)这个固件,它也是整个Caches模块的重要组成部分。
简单说PA TAG 地址(物理标签地址)的功能是指明了写回操作必须把DCaches中待写回内容写到物理内存的哪个位置。不知道你还记不记得,DCaches中每个entry中都有一个PA TAG 地址(物理标签地址),当一个linefill发生时,被Cache的内容被写进了DCaches,同时被Cache的物理地址则被写入了PA TAG 地址(物理标签地址)。除了TAG 地址(标签地址),还有两个称为dirty bit(修改标志位)的位出现在DCaches的每一个entry中,它们指明了当前entry中的数据是否已经发生了改变(发生改变简称为变“脏”,所以叫dirty bit,老外取名称可真有意思 -_-!!!)。如果某个entry中的dirty bit置位了,说明该entry已经变脏,于是一个写回操作将被执行,写回操作的目的地址则是由PA TAG 地址(物理标签地址)索引到的物理地址。
关于Caches,Write Buffer更详细的内容请大家阅读s3c2410的操作手册:]