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目錄

• • • • 1、為什么要用cache?
      • 2、為什么要學習cache呢？
      • • 2.1、 不同的Master硬件共享數據時
        • • 2.1.1、軟件中維護內存一致性 – flush cache
          • 2.1.2、軟件中維護內存一致性 – invalid cache
        • 2.2、 不同的緩存策略的系統共享數據時
        • • 2.2.1、軟件中維護內存一致性 – flush cache
          • 2.2.2、軟件中維護內存一致性 – invalid cache
      • 3、怎么去刷cache呢？ (軟件維護cache的一致性)
      • • 3.1、cache一致性指令介紹
        • 3.2、cache一致性指令的使用示例
        • 3.3、 操作系統中軟件維護cache一致性的API

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1、為什么要用cache?

ARM 架構剛開始開發時，處理器的時鐘速度和內存的訪問速度大致相似。今天的處理器內核要復雜得多，并且時鐘頻率可以快幾個數量級。然而，外部總線和存儲設備的頻率并沒有達到同樣的程度。可以實現可以與內核以相同速度運行的小片上 SRAM塊，但與標準 DRAM 塊相比，這種 RAM 非常昂貴，標準 DRAM 塊的容量可能高出數千倍。在許多基于 ARM 處理器的系統中，訪問外部存儲器需要數十甚至數百個內核周期。

高速緩存是位于核心和主內存之間的小而快速的內存塊。它在主內存中保存項目的副本。對高速緩沖存儲器的訪問比對主存儲器的訪問快得多。每當內核讀取或寫入特定地址時，它首先會在緩存中查找。如果它在高速緩存中找到地址，它就使用高速緩存中的數據，而不是執行對主存儲器的訪問。通過減少緩慢的外部存儲器訪問時間的影響，這顯著提高了系統的潛在性能。通過避免驅動外部信號的需要，它還降低了系統的功耗

2、為什么要學習cache呢？

cache和我們軟件工程師有啥關系？其實在很多時候，硬件都會自動去維護cache和內存直接的一致性，這和我們軟件工程師都沒有太大的關系，所以很多時候我們也無需去理解cache的原理。但是實就是事實，不管你有沒有理解，你都是一直在使用的。做為一名底層的軟件開發者，有些時候，你也不得不去主動刷新cache，即軟件中維護內存一致性 。
那么一般什么時候需要主動刷cache呢(軟件中維護內存一致性) ? 以下便舉了幾個最常見的示例。

2.1、 不同的Master硬件共享數據時

例如一個core和一個crypto engine硬件，在共享數據的時候。需要軟件主動去invalid或flush cache的操作。

2.1.1、軟件中維護內存一致性 – flush cache

2.1.2、軟件中維護內存一致性 – invalid cache

2.2、 不同的緩存策略的系統共享數據時

例如在一個TEE + linux的系統中，且兩個系統有著不同的緩存策略。如linux kernel中是outer cacheable，TEE中是non-cacheable

2.2.1、軟件中維護內存一致性 – flush cache

2.2.2、軟件中維護內存一致性 – invalid cache

3、怎么去刷cache呢？ (軟件維護cache的一致性)

ARM提供了操作cache的指令， 軟件維護操作cache的指令有三類:

• Invalidation：其實就是修改valid bit，讓cache無效。
• Cleaning： 清除cache中的data和TAG，這其實就是我們所說的flush cache，這里會將cache數據回寫到內存，并清除dirty標志
• Zero：將cache中的數據清0.

那么一般什么時候需要軟件維護cache一致性呢？：
(1)、當有其它的Master改變的external memory，如DMA操作
(2)、MMU的enable或disable的整個區間的內存訪問，
(3)、當不同緩存策略的系統使用同一塊內存通信時，如REE enable了mmu，TEE disable了mmu.

針對第(2)點，cache怎么和mmu扯上關系了呢？那是因為: mmu的開啟和關閉，影響了內存的permissions, cache policies

3.1、cache一致性指令介紹

查閱armv8/armv9的aarch64體系中，定義了如下的緩存一致性操作指令

指令太多，不太好記，然后我們總結如下：

按照指令，分為:

• IC : 操作instruction cache
• DC : 操作data cache

按照操作，分為以下三類:

• Invalidation：其實就是修改valid bit，讓cache無效。
• Cleaning： 清除cache中的data和TAG，這其實就是我們所說的flush cache，這里會將cache數據回寫到內存，并清除dirty標志
• Zero：將cache中的數據清0.

Points的定義：
其描述的是操作cache的范圍

• Point of Coherency (PoC) ： instruction、data、TLB訪問一致性的點
• Point of Unification (PoU) ：agents訪問內存一致性的點
• Point of Persistence (PoP) ： 和FEAT_DPB、FEAT_DPB2 feature相關
• Point of Deep Persistence (PoDP) ：訪問memory一致性的點
  

3.2、cache一致性指令的使用示例

3.3、 操作系統中軟件維護cache一致性的API

在操作系統中，我們只需要調用相關的API即可，也無需牢記以上的維護cache一致性的命令。

比如在Linux Kernel 操作Cache的API如下所示：

linux/arch/arm64/mm/cache.S linux/arch/arm64/include/asm/cacheflush.hvoid __flush_icache_range(unsigned long start, unsigned long end); int invalidate_icache_range(unsigned long start, unsigned long end); void __flush_dcache_area(void *addr, size_t len); void __inval_dcache_area(void *addr, size_t len); void __clean_dcache_area_poc(void *addr, size_t len); void __clean_dcache_area_pop(void *addr, size_t len); void __clean_dcache_area_pou(void *addr, size_t len); long __flush_cache_user_range(unsigned long start, unsigned long end); void sync_icache_aliases(void *kaddr, unsigned long len); void flush_icache_range(unsigned long start, unsigned long end) void __flush_icache_all(void)

總結

以上是生活随笔為你收集整理的01-简述cache的基本概念和使用场景的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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