你還沒明白嵌入式ARM的MMU和Cache機(jī)制？

技術(shù)小白

Cache是高性能CPU解決總線訪問速度瓶頸的方法，然而它的使用卻是需要權(quán)衡的，因?yàn)榫彺姹旧淼膭?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是其最大的賣點(diǎn)；有了MMU，高級(jí)的操作系統(tǒng)（虛擬地址空間，平面地址，進(jìn)程保護(hù)等）才得以實(shí)現(xiàn)。二者都挺復(fù)雜，并且在920T中又高度耦合，相互配合操作，所以需要結(jié)合起來研究。同時(shí)，二者的操作對(duì)象都是內(nèi)存，內(nèi)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通過預(yù)測(cè)CPU即將要訪問的內(nèi)存地址（一般都是順序的），預(yù)先讀取大塊內(nèi)存供CPU訪問，來減少后續(xù)的內(nèi)存總線上的讀寫操作，以提高速度。然而，如果程序中長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)的次數(shù)很多，Cache的命中率就會(huì)顯著降低，隨之而來，大量的替換操作發(fā)生，于是，過多的內(nèi)存操作反而降低了程序的性能。

ARM920T內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)，將內(nèi)部指令總線和數(shù)據(jù)總線分開，分別連接到ICache和DCache，再通過AMBA（高級(jí)微控制器總線結(jié)構(gòu)）總線接口連接到ASB總線上去訪問內(nèi)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相逆過程的一塊硬件，目的也是通過減少memory bus的訪問來提高性能。
MMU的功能
在內(nèi)存中維護(hù)一張或幾張表，就看你怎么給內(nèi)存劃分page和section了。通過CP15指定好轉(zhuǎn)換表的位置，920T的硬件會(huì)自動(dòng)將轉(zhuǎn)換表的一部分讀到TLB中。CPU每次進(jìn)行內(nèi)存讀寫時(shí)，發(fā)出虛擬地址，參照TLB中的轉(zhuǎn)換表轉(zhuǎn)換到物理地址，并讀取相應(yīng)entry中的信息，以決定是否可以有權(quán)限讀寫和緩存。

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

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

ARM920T中，MMU的每條entry包括Cachable和Buffable位來指定相應(yīng)的內(nèi)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(tǒng)設(shè)計(jì)者根據(jù)系統(tǒng)軟硬件配置而考慮的事情。操作系統(tǒng)針對(duì)分配給應(yīng)用程序的地址空間作內(nèi)存保護(hù)和緩存優(yōu)化。在沒有操作系統(tǒng)的情況下，就需要我們自己來掌控它們了。其中，主要是合理分配內(nèi)存。

我認(rèn)為，以下幾點(diǎn)需要著重考慮：

1) 安全第一！ -- 避免MMU和Cache的副作用。

當(dāng)你在無OS的裸機(jī)上開發(fā)程序時(shí)，初始化運(yùn)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(nèi)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(xiàn)緩存中的代碼或數(shù)據(jù)與內(nèi)存中的不一致，程序跑飛。

另外，有時(shí)候我們需要自己作loader來直接運(yùn)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(cè)。

還有，對(duì)硬件的操作要小心。很多寄存器值都是被硬件改變的，讀寫時(shí)，要保證確實(shí)訪問到它的地址。首先，在C語言代碼中聲明為volatile變量，以防止內(nèi)存讀寫被編譯器優(yōu)化掉；另外，設(shè)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(nèi)存中代碼的不一致，是一定要避免的。

2) 弄巧成拙！ -- 只對(duì)頻繁訪問的地址空間進(jìn)行Cache優(yōu)化。

我們很清楚自己的程序中，那里有大量的運(yùn)算，哪里有無數(shù)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(yùn)行速度。但是，很多函數(shù)或子程序往往僅僅運(yùn)行很少幾次，若是對(duì)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(tǒng)負(fù)擔(dān)，降低了整體性能。

3) 斷點(diǎn)哪兒去了？ -- 如何調(diào)試“加速”了的代碼？

據(jù)我所知，一般，debugger都是通過掃描地址總線，在斷點(diǎn)處暫停CPU。ARM9TDMI中集成的JTAG調(diào)試口，也是這樣。

當(dāng)我們調(diào)試使用Cache的代碼時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)問題。比如：CPU訪問某斷點(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)地址總線上出現(xiàn)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(dāng)你從斷點(diǎn)處step時(shí)，程序卻停不了了，因?yàn)榈刂房偩�上不再出現(xiàn)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(dāng)?shù)刂房偩�上第一次出現(xiàn)斷點(diǎn)地址時(shí)，CPU暫停；之后，就再也不會(huì)停了。因?yàn)�，之后CPU會(huì)從cache中直接去代碼了。(當(dāng)然，后來，Cache的代碼有可能會(huì)被替換掉，斷點(diǎn)又可到達(dá)。) 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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