你還沒(méi)明白嵌入式ARM的MMU和Cache機制？

技術(shù)小白

Cache是高性能CPU解決總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)速度瓶頸的方法，然而它的使用卻是需要權衡的，因為緩存本身的動(dòng)作，如塊拷貝和替換等，也是很消耗CPU時(shí)間的。MMU的重要性勿庸置疑，ARM920T（和ARM720T）集成了MMU是其最大的賣(mài)點(diǎn)；有了MMU，高級的操作系統（虛擬地址空間，平面地址，進(jìn)程保護等）才得以實(shí)現。二者都挺復雜，并且在920T中又高度耦合，相互配合操作，所以需要結合起來(lái)研究。同時(shí)，二者的操作對象都是內存，內存的使用是使用MMU/Cache的關(guān)鍵。另外，MMU和Cache的控制寄存器不占用地址空間，CP15是操縱MMU/Cache的唯一途徑。
Cache/Write Buffer的功
Cache通過(guò)預測CPU即將要訪(fǎng)問(wèn)的內存地址（一般都是順序的），預先讀取大塊內存供CPU訪(fǎng)問(wèn)，來(lái)減少后續的內存總線(xiàn)上的讀寫(xiě)操作，以提高速度。然而，如果程序中長(cháng)跳轉的次數很多，Cache的命中率就會(huì )顯著(zhù)降低，隨之而來(lái)，大量的替換操作發(fā)生，于是，過(guò)多的內存操作反而降低了程序的性能。

ARM920T內部采用哈佛結構，將內部指令總線(xiàn)和數據總線(xiàn)分開(kāi)，分別連接到ICache和DCache，再通過(guò)AMBA（高級微控制器總線(xiàn)結構）總線(xiàn)接口連接到ASB總線(xiàn)上去訪(fǎng)問(wèn)內存。Cache由Line組成，Line是Cache進(jìn)行塊讀取和替換的單位。

Writer Buffer是和DCache相逆過(guò)程的一塊硬件，目的也是通過(guò)減少memory bus的訪(fǎng)問(wèn)來(lái)提高性能。
MMU的功能
在內存中維護一張或幾張表，就看你怎么給內存劃分page和section了。通過(guò)CP15指定好轉換表的位置，920T的硬件會(huì )自動(dòng)將轉換表的一部分讀到TLB中。CPU每次進(jìn)行內存讀寫(xiě)時(shí)，發(fā)出虛擬地址，參照TLB中的轉換表轉換到物理地址，并讀取相應entry中的信息，以決定是否可以有權限讀寫(xiě)和緩存。

mmugen這個(gè)工具就是幫你構造這個(gè)表的，省的自己寫(xiě)程序了。

操作MMU，實(shí)際上就是如何分配和使用你的內存，并記錄在translationtable里。

ARM920T中，MMU的每條entry包括Cachable和Buffable位來(lái)指定相應的內存是否可以用Cache緩存。此處就是MMU與Cache的交互作用處。

實(shí)際上，MMU和Cache的使用是操作系統設計者根據系統軟硬件配置而考慮的事情。操作系統針對分配給應用程序的地址空間作內存保護和緩存優(yōu)化。在沒(méi)有操作系統的情況下，就需要我們自己來(lái)掌控它們了。其中，主要是合理分配內存。

我認為，以下幾點(diǎn)需要著(zhù)重考慮：

1) 安全第一！ -- 避免MMU和Cache的副作用。

當你在無(wú)OS的裸機上開(kāi)發(fā)程序時(shí)，初始化運行環(huán)境的代碼很重要，比如：各種模式堆棧指針的初始化；將代碼和RW data從ROM拷貝到RAM；初始化.bss段（zero initialized）空間等。此時(shí)會(huì )有大量的內存操作，如果你enable了Cache，那么在拷貝完代碼之后，一定要invalidate ICache和flush DCache。否則將會(huì )出現緩存中的代碼或數據與內存中的不一致，程序跑飛。

另外，有時(shí)候我們需要自己作loader來(lái)直接運行ELF文件，情況也是一樣，拷貝完代碼后一定要刷新Cache，以免不測。

還有，對硬件的操作要小心。很多寄存器值都是被硬件改變的，讀寫(xiě)時(shí)，要保證確實(shí)訪(fǎng)問(wèn)到它的地址。首先，在C語(yǔ)言代碼中聲明為volatile變量，以防止內存讀寫(xiě)被編譯器優(yōu)化掉；另外，設置好TLB，使得寄存器映射的地址空間不被緩存。

總之，緩存和內存中代碼的不一致，是一定要避免的。

2) 弄巧成拙！ -- 只對頻繁訪(fǎng)問(wèn)的地址空間進(jìn)行Cache優(yōu)化。

我們很清楚自己的程序中，那里有大量的運算，哪里有無(wú)數的循環(huán)或遞歸，而這正是Cache的用武之地，我們將這些空間進(jìn)行緩存將大大提高運行速度。但是，很多函數或子程序往往僅僅運行很少幾次，若是對它們也緩存，只會(huì )撿了芝麻丟了西瓜，造成不必要的緩存和替換操作，反而增加了系統負擔，降低了整體性能。

3) 斷點(diǎn)哪兒去了？ -- 如何調試“加速”了的代碼？

據我所知，一般，debugger都是通過(guò)掃描地址總線(xiàn)，在斷點(diǎn)處暫停CPU。ARM9TDMI中集成的JTAG調試口，也是這樣。

當我們調試使用Cache的代碼時(shí)，將會(huì )出現問(wèn)題。比如：CPU訪(fǎng)問(wèn)某斷點(diǎn)所在地址之前的地址時(shí)，發(fā)生緩存操作，斷點(diǎn)處代碼被提前讀入Cache，此時(shí)地址總線(xiàn)上出現了斷點(diǎn)地址，CPU被debugger暫停，并且斷點(diǎn)之后的指令也被Cache緩存。于是，當你從斷點(diǎn)處step時(shí)，程序卻停不了了，因為地址總線(xiàn)上不再出現斷點(diǎn)之后的下一個(gè)地址了。

再舉個(gè)例子：

int i,a;
for (i=0; i<100; i++) {
-> a++; /* set breakpoints */
}

當地址總線(xiàn)上第一次出現斷點(diǎn)地址時(shí)，CPU暫停；之后，就再也不會(huì )停了。因為，之后CPU會(huì )從cache中直接去代碼了。(當然，后來(lái)，Cache的代碼有可能會(huì )被替換掉，斷點(diǎn)又可到達。) 所幸的是，我用的debugger提供JTAG Monitor，允許斷點(diǎn)跟蹤使用cache的程序。


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