Cache在嵌入式處理器中的使用問(wèn)題

隨著嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，嵌入式CPU的主頻不斷提高，這就造成了慢速系統(tǒng)存儲(chǔ)器不能匹配高速CPU處理能力的情況。為了解決這個(gè)問(wèn)題，許多高性能的嵌入式處理器內(nèi)部集成了高速緩存Cache。其中，三星公司的S3C44B0X內(nèi)部就集成了8 KB空間統(tǒng)一的指令和數(shù)據(jù)Cache。
　　Cache即高速緩沖存儲(chǔ)器，是位于CPU與主存之間一種容量較小，但速度很高的存儲(chǔ)器。由于CPU在進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，所需的指令和數(shù)據(jù)都是從主存中提取的，而CPU運(yùn)算速度要比主存讀寫(xiě)速度快得多，這樣極其影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。采用Cache技術(shù)，即在Cache中存放CPU常用的指令和數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)和指令以一定的算法和策略從主存中調(diào)入，使CPU可以不必等待主存數(shù)據(jù)而保持高速操作。這樣就滿(mǎn)足了嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)、高效的要求。但Cache的使用也帶來(lái)了一致性的問(wèn)題，在應(yīng)用中應(yīng)特別注意。
1 Cache一致性問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)
　　本項(xiàng)目的目標(biāo)板為：處理器采用ARM芯片S3C44B0X，存儲(chǔ)器采用2片F(xiàn)lash和1片SDRAM,在調(diào)試的時(shí)候輸入采用鍵盤(pán)，輸出采用顯示器，用RS232串口實(shí)現(xiàn)通信。
　　在項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，經(jīng)軟件仿真調(diào)試成功的程序，燒入目標(biāo)板后，程序卻發(fā)生異常中止。通過(guò)讀存儲(chǔ)器的內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，程序不能正常運(yùn)行在目標(biāo)板上，是因?yàn)榇鎯?chǔ)器中寫(xiě)入的數(shù)據(jù)與程序編譯生成的數(shù)據(jù)不一致，總是出現(xiàn)一些錯(cuò)誤字節(jié)。
　　經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)試發(fā)現(xiàn)，只要在程序中禁止Cache的使用，存儲(chǔ)器中寫(xiě)入的數(shù)據(jù)將不再發(fā)生錯(cuò)誤，程序可以正常運(yùn)行，但速度明顯減慢。經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為問(wèn)題是由于Cache數(shù)據(jù)與主存數(shù)據(jù)的不一致性造成的。
　　Cache數(shù)據(jù)與主存數(shù)據(jù)不一致是指：在采用Cache的系統(tǒng)中，同樣一個(gè)數(shù)據(jù)可能既存在于Cache中，也存在于主存中，兩者數(shù)據(jù)相同則具有一致性。
2 分析Cache的一致性問(wèn)題
　要解釋Cache的一致性問(wèn)題，首先要了解Cache的工作模式。Cache的工作模式有兩種：寫(xiě)直達(dá)模式（writethrough）和寫(xiě)回模式（writeback）。寫(xiě)直達(dá)模式是，每當(dāng)CPU把數(shù)據(jù)寫(xiě)到Cache中時(shí)，Cache控制器會(huì)立即把數(shù)據(jù)寫(xiě)入主存對(duì)應(yīng)位置。所以，主存隨時(shí)跟蹤C(jī)ache的最新版本，從而也就不會(huì)有主存將新數(shù)據(jù)丟失這樣的問(wèn)題。此方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是每次Cache內(nèi)容有更新，就要對(duì)主存進(jìn)行寫(xiě)入操作，這樣會(huì)造成總線(xiàn)活動(dòng)頻繁。S3C44B0X中的Cache就是采用的寫(xiě)直達(dá)模式（writethrough）。在寫(xiě)直達(dá)模式下，數(shù)據(jù)輸出時(shí)，系統(tǒng)會(huì)把數(shù)據(jù)同時(shí)寫(xiě)入高速緩沖存儲(chǔ)器Cache和主存中，這樣就保證了輸出時(shí)高速緩沖存儲(chǔ)器的一致性。但該模式下，卻無(wú)法保證輸入時(shí)的高速緩沖存儲(chǔ)器的一致性。
　　下面再看一下Cache的組織方式。按照主存和Cache之間的映像關(guān)系，Cache有三種組織方式。全相聯(lián)方式、直接映像方式和組相聯(lián)方式。其中，直接映像方式的原理如圖1所示。

圖1直接映像示意圖
　　按照Cache的行數(shù)m,把主存分為n/m個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)中有m個(gè)存儲(chǔ)塊。各區(qū)中的0~（m-1）塊一一對(duì)應(yīng)地固定映射到Cache中L0~Lm-1行。這樣，標(biāo)簽只要給定區(qū)地址（區(qū)號(hào)），就能唯一確定Cache行與存儲(chǔ)器的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)CPU發(fā)出存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，以存儲(chǔ)器地址作為行索引，尋址到一高速緩沖行，檢測(cè)該行的標(biāo)簽。若標(biāo)簽與存儲(chǔ)器的相應(yīng)地址匹配，則Cache命中。該高速緩存行當(dāng)前即為欲訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)塊的唯一映像。從上面的分析可以看出，在寫(xiě)直達(dá)模式下，由于每次Cache內(nèi)容有更新，就要對(duì)主存進(jìn)行寫(xiě)入操作，造成總線(xiàn)活動(dòng)頻繁。在Cache命中的過(guò)程中，如果總線(xiàn)遇到干擾，就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象。
3 Cache一致性問(wèn)題的解決方法
該問(wèn)題可以從軟件及硬件兩方面著手解決。
3.1 軟件解決的方法
　　S3C44B0X的Cache提供完整的Cache使能和禁止操作模式。能夠通過(guò)設(shè)置SYSCFG寄存器中CM域中的值為01或11來(lái)使能Cache（其中，01為使能4 KB Cache, 11為使能8 KB Cache）,而通過(guò)清除SYSCFG寄存器中[2:1]域?yàn)?來(lái)禁止Cache功能。用禁止Cache的方法來(lái)消除數(shù)據(jù)不一致性問(wèn)題，具體代碼如下：
　　#define rSYSCFG(*(volatile unsigned *)0x1c00000)
　　#define WRBUFOPT (0x8)　　//write_buf_on
　　#define SYSCFG_0KB (0x0|WRBUFOPT)
　　#define SYSCFG_4KB (0x2|WRBUFOPT)
　　#define SYSCFG_8KB (0x6|WRBUFOPT)
　　#define CACHECFGSYSCFG_0KB
　　rSYSCFG= CACHECFG;　　　　//禁止Cache
　　另外，S3C44B0X還提供了2個(gè)不能Cache訪(fǎng)問(wèn)的區(qū)域（noncacheable area）。每個(gè)區(qū)域要求兩個(gè)Cache控制域，用來(lái)表明每一個(gè)不能Cache訪(fǎng)問(wèn)區(qū)域的起始和結(jié)束地址。在不能Cache訪(fǎng)問(wèn)的區(qū)域，當(dāng)Cache沒(méi)有命中，一個(gè)讀的時(shí)候，Cache不能更新。在已知影響到數(shù)據(jù)不一致的地址情況下，可以在使能Cache的條件下，用設(shè)定不能Cache訪(fǎng)問(wèn)區(qū)域的方法，防止產(chǎn)生數(shù)據(jù)不一致現(xiàn)象。有時(shí)，如果數(shù)據(jù)區(qū)域被安排在不能Cache區(qū)域，程序執(zhí)行速度更高，因?yàn)槎鄶?shù)變量是不能重用的。對(duì)于不能重用的變量，刷新16 B的Cache存儲(chǔ)器是浪費(fèi)的。本系統(tǒng)中設(shè)定不能Cache訪(fǎng)問(wèn)的區(qū)域?yàn)?x2000000~0xc000000，就可以解決數(shù)據(jù)不一致問(wèn)題。代碼如下：
　　#define rSYSCFG(*(volatile unsigned *)0x1c00000)
　　#define WRBUFOPT (0x8) 　　　//write_buf_on
　　#define SYSCFG_0KB (0x0|WRBUFOPT)
　　#defineSYSCFG_4KB (0x2|WRBUFOPT)
　　#define SYSCFG_8KB (0x6|WRBUFOPT)

　#define CACHECFG SYSCFG_8KB
　　#define rNCACHBE0 (*(volatile unsigned *)0x1c00004)
　　#define rNCACHBE1 (*(volatile unsigned *)0x1c00008)
　　#define Non_Cache_Start(0x2000000)
　　　　　　　　　　　　　　　　//不能Cache訪(fǎng)問(wèn)的區(qū)域開(kāi)始地址
　　#define Non_Cache_End(0xc000000)
　　　　　　　　　　　　　　　　//不能Cache訪(fǎng)問(wèn)的區(qū)域結(jié)束地址
　　rSYSCFG= CACHECFG;
　　　　　　　　　　　　　　　　// 8 KB cache，寫(xiě)緩沖使能，data abort使能
　　rNCACHBE0= ((Non_Cache_End>>12)<<16)|(Non_Cache_Start>>12);//在上面的數(shù)據(jù)區(qū)域不使用高速緩存Cache
　　采用上述兩種方法，排除了數(shù)據(jù)不一致性的問(wèn)題。但一個(gè)高性能的系統(tǒng)是需要Cache的，禁止Cache的使用會(huì)大大降低系統(tǒng)的性能。所以，在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，還應(yīng)從硬件方面考慮，從根本上防止數(shù)據(jù)不一致的產(chǎn)生。
3.2 硬件的解決方法
　　由于現(xiàn)在的嵌入式處理器，主頻越來(lái)越高，地址、數(shù)據(jù)線(xiàn)越來(lái)越多，所以在硬件的設(shè)計(jì)和焊接過(guò)程中應(yīng)特別注意高頻干擾的問(wèn)題。因?yàn)楦哳l干擾可以引起信號(hào)的不完整性，這些不完整的信號(hào)會(huì)引起總線(xiàn)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)一些壞字節(jié)，所以高速PCB設(shè)計(jì)變得尤為重要。高速PCB設(shè)計(jì)中，對(duì)高速信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的特征與走線(xiàn)
控制的設(shè)計(jì)技術(shù)，已成為高速數(shù)字設(shè)備成功與否的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意下列問(wèn)題：
　?、?在成本允許的條件下， PCB盡量采用多層板布線(xiàn)。
　?、?高頻電路布線(xiàn)的引線(xiàn)最好采用全直線(xiàn)，需要轉(zhuǎn)折時(shí)，可以用45°折線(xiàn)或圓弧轉(zhuǎn)折。在高頻電路中，滿(mǎn)足這一要求可以減少高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射和相互間的耦合。
　?、?高頻電路器件引腳的引線(xiàn)層間的交替越少越好，過(guò)孔越少越好。據(jù)測(cè)，一個(gè)過(guò)孔可帶來(lái)約0.5 pF的分布電容，減少過(guò)孔數(shù)量能顯著提高速度。
　　④ 高頻電路布線(xiàn)要注意信號(hào)線(xiàn)近距離平行走線(xiàn)所引入的“交叉干擾”，若無(wú)法避免平行分布，可在平行信號(hào)線(xiàn)的反面布置大面積“地”來(lái)減少干擾。同一層內(nèi)的平行走線(xiàn)幾乎無(wú)法避免，但是在相鄰的兩個(gè)層，走線(xiàn)的方向務(wù)必取為相互垂直。
　　⑤ 每個(gè)集成電路塊的附近應(yīng)設(shè)置一個(gè)高頻退耦電容。
　?、?模擬電路和數(shù)字電路部分，應(yīng)有各自獨(dú)立的地線(xiàn)。
　　⑦ 對(duì)特別重要的信號(hào)線(xiàn)或局部單元實(shí)施地線(xiàn)包圍的措施，各類(lèi)信號(hào)走線(xiàn)不能形成環(huán)路，地線(xiàn)也不能形成電流環(huán)路。
　　在注意了上面的設(shè)計(jì)規(guī)則之后，制作出的PCB基本上可以滿(mǎn)足高速信號(hào)的要求。
　　最后，就是在焊接時(shí)要注意焊點(diǎn)一定要圓滑。因?yàn)楹更c(diǎn)的尖峰會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的高頻干擾。有了上述各條規(guī)則，就保證了在信號(hào)傳輸過(guò)程中，總線(xiàn)上不會(huì)出現(xiàn)不必要的干擾，防止了數(shù)據(jù)不一致的發(fā)生。

結(jié)語(yǔ)
　　嵌入式處理器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。本文提到的對(duì)S3C44B0X中Cache數(shù)據(jù)不一致性的處理方法同樣適用于其他型號(hào)的高頻嵌入式處理器。掌握一些設(shè)計(jì)、調(diào)試的基本經(jīng)驗(yàn)，可以大大提高工作效率，減小系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中不必要的麻煩。