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標題: 你還沒明白嵌入式ARM的MMU和Cache機制？ [打印本頁]

作者: 技術小白 時間: 2017-8-29 09:41
標題: 你還沒明白嵌入式ARM的MMU和Cache機制？
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衡的，因為緩存本身的動作，如塊拷貝和替換等，也是很消耗CPU時間的。MMU的重要性勿庸置疑，ARM920T（和ARM720T）集成了MMU是其最大的賣點；有了MMU，高級的操作系統（虛擬地址空間，平面地址，進程保護等）才得以實現。二者都挺復雜，并且在920T中又高度耦合，相互配合操作，所以需要結合起來研究。同時，二者的操作對象都是內存，內存的使用是使用MMU/Cache的關鍵。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通過預測CPU即將要訪問的內存地址（一般都是順序的），預先讀取大塊內存供CPU訪問，來減少后續的內存總線上的讀寫操作，以提高速度。然而，如果程序中長跳轉的次數很多，Cache的命中率就會顯著降低，隨之而來，大量的替換操作發生，于是，過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，將內部指令總線和數據總線分開，分別連接到ICache和DCache，再通過AMBA（高級微控制器總線結構）總線接口連接到ASB總線上去訪問內存。Cache由Line組成，Line是Cache進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CP15指定好轉換表的位置，920T的硬件會自動將轉換表的一部分讀到TLB中。CPU每次進行內存讀寫時，發出虛擬地址，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和緩存。

mmugen這個工具就是幫你構造這個表的，省的自己寫程序了。

操作MMU，實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化。在沒有操作系統的情況下，就需要我們自己來掌控它們了。其中，主要是合理分配內存。

我認為，以下幾點需要著重考慮：

1) 安全第一！ -- 避免MMU和Cache的副作用。

當你在無OS的裸機上開發程序時，初始化運行環境的代碼很重要，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。此時會有大量的內存操作，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，有時候我們需要自己作loader來直接運行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，讀寫時，要保證確實訪問到它的地址。首先，在C語言代碼中聲明為volatile變量，以防止內存讀寫被編譯器優化掉；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！ -- 只對頻繁訪問的地址空間進行Cache優化。

我們很清楚自己的程序中，那里有大量的運算，哪里有無數的循環或遞歸，而這正是Cache的用武之地，我們將這些空間進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都是通過掃描地址總線，在斷點處暫停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，將會出現問題。比如：CPU訪問某斷點所在地址之前的地址時，發生緩存操作，斷點處代碼被提前讀入Cache，此時地址總線上出現了斷點地址，CPU被debugger暫停，并且斷點之后的指令也被Cache緩存。于是，當你從斷點處step時，程序卻停不了了，因為地址總線上不再出現斷點之后的下一個地址了。

再舉個例子：

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

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

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