逻辑MMU与物理MMU - ARM核920T性能优化之Cache

三.逻辑MMU与物理MMU

　　如果带cache的处理器核支持虚拟存储，那么cache就可以放在处理器内核和存储管理单元MMU之间或者MMU与物理存储器之间。

　　逻辑cache在虚拟地址空间存储数据，它位于处理器和MMU之间。处理器可以直接通过逻辑cache访问数据而无需通过MMU。

　　物理cache使用物理地址存储数据，它位于MMU和主存之间。当处理器访问存储器时，MMU必须先把虚拟地址转化为物理地址，cache存储器才可向内核提供数据。

　　从arm7～arm10都是使用逻辑cache，arm11使用物理cache。

　　

 

　　四.Cache的结构

　　

 

　　带有cache的ARM内核采用了2种总线结构：冯诺依曼结构和哈佛结构。在使用冯诺依曼结构的处理器内核中，只有一个数据和指令公用的cache，这种cache被称作统一cache。哈佛结构将指令总线和数据总线分离，存在指令cache(I-cache)和数据cache(D-cache)，这种类型的cache被称作分离cache。上边的图是统一cache，cache的两个主要组成部分cache控制器和cache存储器。Cache存储器是一个专用的存储器阵列，其访问单元称为cache行。Cache有3个主要的部分：目录存储段(directory store)，状态信息段(status information)，数据项段(data section)。每一个cache行都由这3部分组成。Cache使用目录存储段来记录每个cache行是由主存的什么地方拷贝而来。该目录项被称为“cache标签”。状态位用来记录状态信息，2个常见的状态位是有效位(valid bit)和脏位(dirty bit)。Cache存储器必须存储来自主存的信息，这些信息被放在数据项段里。

　　五.Cache与主存的关系

　　1)直接映射

　　

 

　　主存的每个地址都对应着cache存储器的唯一的一行。如图，组索引(set index)可以确切的指出所有以0x824结尾的内存地址在cache中所唯一对应的存储地址;数据索引域可以确定字，半字或者字节在该cache行中的位置;标签域用来与cache行中的cache-tag相比较。

　　

 

　　直接映射这种设计使每个主存块在cache中只有一个特定的行可以存放，那么如果程序同时用到对应于cache同一行的2个主存块，那么就会发生冲突。冲突的结果就是导致cache行的频繁置换。这就是直接映射cache的颠簸问题(Thrashing)。重复的cache失效导致cache控制器连续不断的将当前不用的过程置换出cache，这就是cache颠簸。

　　2)组相联

　　

 

　　为了减少cache的颠簸频率，某些cache使用了其他设计。将cache分成一些容量相同的小单元，称作路(way)。这里一个组索引对应多个cache行，即在每一路里都有一个cache行与之对应，组索引相同的cache行被称作处于同一个组(set)里，这也是组索引命令的由来。拥有相同组索引的cache行称为组相联的。在cache的同一个组当中，数据放置的位置具有排他性，可以防止同样的数据被重复放在一个组的不同的cache行。

　　

 

　　3)全联

　　随着cache控制器的相联度提高，冲突的可能性减小了。理想的目标是，尽量提高组相联程度，使主存地址能够映射到任意cache行，这样的cache被称为全相联cache。

　　

 

　　硬件设计者提高相联度的一种方法就是使用内容寻址存储器CAM(Content Addressable Memory)。在ARM920T处理器核中，ARM使用了CAM来定位cache-tag。ARM920T中的cache是64路组相联的。CAM使用一组比较器，以比较输入的标签地址和存储在每一个有效cache行中的cache-tag。CAM采用了与RAM相反的工作方式：RAM是得到一个地址后再给出数据;而CAM则是在检测到给定的数据值在存储器中后，再给出该数据的地址。如图是ARM940T的cache结构图。访问地址的tag部分被作为4个CAM的输入，输入标签同时与存储在64路中的所有cache标签相比较。如果有一个匹配，那么数据就由cache存储器提供;如果没有匹配，存储器控制器就会产生一个失效(miss)信号。