[導讀]Cache在嵌入式處理器中的使用問題
隨著嵌入式計算機應用的發(fā)展，嵌入式CPU的主頻不斷提高，這就造成了慢速系統(tǒng)存儲器不能匹配高速CPU處理能力的情況。為了解決這個問題，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即高速緩沖存儲器，是位于CPU與主存之間一種容量較小，但速度很高的存儲器。由于CPU在進行運算時，所需的指令和數(shù)據(jù)都是從主存中提取的，而CPU運算速度要比主存讀寫速度快得多，這樣極其影響整個系統(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。這樣就滿足了嵌入式系統(tǒng)實時、高效的要求。但Cache的使用也帶來了一致性的問題，在應用中應特別注意。
1 Cache一致性問題的發(fā)現(xiàn)
本項目的目標板為：處理器采用ARM芯片S3C44B0X，存儲器采用2片F(xiàn)lash和1片SDRAM,在調(diào)試的時候輸入采用鍵盤，輸出采用顯示器，用RS232串口實現(xiàn)通信。
在項目的開發(fā)過程中，經(jīng)軟件仿真調(diào)試成功的程序，燒入目標板后，程序卻發(fā)生異常中止。通過讀存儲器的內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，程序不能正常運行在目標板上，是因為存儲器中寫入的數(shù)據(jù)與程序編譯生成的數(shù)據(jù)不一致，總是出現(xiàn)一些錯誤字節(jié)。
經(jīng)過一段時間的調(diào)試發(fā)現(xiàn)，只要在程序中禁止Cache的使用，存儲器中寫入的數(shù)據(jù)將不再發(fā)生錯誤，程序可以正常運行，但速度明顯減慢。經(jīng)過分析，認為問題是由于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，數(shù)據(jù)不相同就叫做不一致性。如果不能保證數(shù)據(jù)的一致性，那么，后續(xù)程序的運行就要出現(xiàn)問題。
2 分析Cache的一致性問題
要解釋Cache的一致性問題，首先要了解Cache的工作模式。Cache的工作模式有兩種：寫直達模式（write?through）和寫回模式（writeback）。寫直達模式是，每當CPU把數(shù)據(jù)寫到Cache中時，Cache控制器會立即把數(shù)據(jù)寫入主存對應位置。所以，主存隨時跟蹤Cache的最新版本，從而也就不會有主存將新數(shù)據(jù)丟失這樣的問題。此方法的優(yōu)點是簡單，缺點是每次Cache內(nèi)容有更新，就要對主存進行寫入操作，這樣會造成總線活動頻繁。S3C44B0X中的Cache就是采用的寫直達模式（write?through）。在寫直達模式下，數(shù)據(jù)輸出時，系統(tǒng)會把數(shù)據(jù)同時寫入高速緩沖存儲器Cache和主存中，這樣就保證了輸出時高速緩沖存儲器的一致性。但該模式下，卻無法保證輸入時的高速緩沖存儲器的一致性。
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個區(qū)域，每個區(qū)中有m個存儲塊。各區(qū)中的0~（m-1）塊一一對應地固定映射到Cache中L0~Lm-1行。這樣，標簽只要給定區(qū)地址（區(qū)號），就能唯一確定Cache行與存儲器的對應關系。當CPU發(fā)出存儲器訪問時，以存儲器地址作為行索引，尋址到一高速緩沖行，檢測該行的標簽。若標簽與存儲器的相應地址匹配，則Cache命中。該高速緩存行當前即為欲訪問存儲塊的唯一映像。從上面的分析可以看出，在寫直達模式下，由于每次Cache內(nèi)容有更新，就要對主存進行寫入操作，造成總線活動頻繁。在Cache命中的過程中，如果總線遇到干擾，就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象。
3 Cache一致性問題的解決方法
該問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。能夠通過設置SYSCFG寄存器中CM域中的值為01或11來使能Cache（其中，01為使能4 KB Cache, 11為使能8 KB Cache）,而通過清除SYSCFG寄存器中[2:1]域為0來禁止Cache功能。用禁止Cache的方法來消除數(shù)據(jù)不一致性問題，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個不能Cache訪問的區(qū)域（noncacheable area）。每個區(qū)域要求兩個Cache控制域，用來表明每一個不能Cache訪問區(qū)域的起始和結(jié)束地址。在不能Cache訪問的區(qū)域，當Cache沒有命中，一個讀的時候，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，用設定不能Cache訪問區(qū)域的方法，防止產(chǎn)生數(shù)據(jù)不一致現(xiàn)象。有時，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，因為多數(shù)變量是不能重用的。對于不能重用的變量，刷新16 B的Cache存儲器是浪費的。本系統(tǒng)中設定不能Cache訪問的區(qū)域為0x2000000~0xc000000，就可以解決數(shù)據(jù)不一致問題。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訪問的區(qū)域開始地址
#define Non_Cache_End(0xc000000)
//不能Cache訪問的區(qū)域結(jié)束地址
rSYSCFG= CACHECFG;
// 8 KB cache，寫緩沖使能，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)不一致性的問題。但一個高性能的系統(tǒng)是需要Cache的，禁止Cache的使用會大大降低系統(tǒng)的性能。所以，在嵌入式系統(tǒng)的設計中，還應從硬件方面考慮，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，主頻越來越高，地址、數(shù)據(jù)線越來越多，所以在硬件的設計和焊接過程中應特別注意高頻干擾的問題。因為高頻干擾可以引起信號的不完整性，這些不完整的信號會引起總線傳輸過程中出現(xiàn)一些壞字節(jié)，所以高速PCB設計變得尤為重要。高速PCB設計中，對高速信號網(wǎng)絡的特征與走線控制的設計技術(shù)，已成為高速數(shù)字設備成功與否的關鍵。在設計中應注意下列問題：
?、?在成本允許的條件下， PCB盡量采用多層板布線。
?、?高頻電路布線的引線最好采用全直線，需要轉(zhuǎn)折時，可以用45°折線或圓弧轉(zhuǎn)折。在高頻電路中，滿足這一要求可以減少高頻信號對外的發(fā)射和相互間的耦合。
?、?高頻電路器件引腳的引線層間的交替越少越好，過孔越少越好。據(jù)測，一個過孔可帶來約0.5 pF的分布電容，減少過孔數(shù)量能顯著提高速度。
④ 高頻電路布線要注意信號線近距離平行走線所引入的“交叉干擾”，若無法避免平行分布，可在平行信號線的反面布置大面積“地”來減少干擾。同一層內(nèi)的平行走線幾乎無法避免，但是在相鄰的兩個層，走線的方向務必取為相互垂直。
⑤ 每個集成電路塊的附近應設置一個高頻退耦電容。
⑥ 模擬電路和數(shù)字電路部分，應有各自獨立的地線。
?、?對特別重要的信號線或局部單元實施地線包圍的措施，各類信號走線不能形成環(huán)路，地線也不能形成電流環(huán)路。
在注意了上面的設計規(guī)則之后，制作出的PCB基本上可以滿足高速信號的要求。
最后，就是在焊接時要注意焊點一定要圓滑。因為焊點的尖峰會產(chǎn)生很強的高頻干擾。
有了上述各條規(guī)則，就保證了在信號傳輸過程中，總線上不會出現(xiàn)不必要的干擾，防止了數(shù)據(jù)不一致的發(fā)生。
結(jié)語
嵌入式處理器已經(jīng)被廣泛應用。本文提到的對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的高頻嵌入式處理器。掌握一些設計、調(diào)試的基本經(jīng)驗，可以大大提高工作效率，減小系統(tǒng)開發(fā)過程中不必要的麻煩。
Cache即高速緩沖存儲器，是位于CPU與主存之間一種容量較小，但速度很高的存儲器。由于CPU在進行運算時，所需的指令和數(shù)據(jù)都是從主存中提取的，而CPU運算速度要比主存讀寫速度快得多，這樣極其影響整個系統(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。這樣就滿足了嵌入式系統(tǒng)實時、高效的要求。但Cache的使用也帶來了一致性的問題，在應用中應特別注意。
1 Cache一致性問題的發(fā)現(xiàn)
本項目的目標板為：處理器采用ARM芯片S3C44B0X，存儲器采用2片F(xiàn)lash和1片SDRAM,在調(diào)試的時候輸入采用鍵盤，輸出采用顯示器，用RS232串口實現(xiàn)通信。
在項目的開發(fā)過程中，經(jīng)軟件仿真調(diào)試成功的程序，燒入目標板后，程序卻發(fā)生異常中止。通過讀存儲器的內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，程序不能正常運行在目標板上，是因為存儲器中寫入的數(shù)據(jù)與程序編譯生成的數(shù)據(jù)不一致，總是出現(xiàn)一些錯誤字節(jié)。
經(jīng)過一段時間的調(diào)試發(fā)現(xiàn)，只要在程序中禁止Cache的使用，存儲器中寫入的數(shù)據(jù)將不再發(fā)生錯誤，程序可以正常運行，但速度明顯減慢。經(jīng)過分析，認為問題是由于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，數(shù)據(jù)不相同就叫做不一致性。如果不能保證數(shù)據(jù)的一致性，那么，后續(xù)程序的運行就要出現(xiàn)問題。
2 分析Cache的一致性問題
要解釋Cache的一致性問題，首先要了解Cache的工作模式。Cache的工作模式有兩種：寫直達模式（write?through）和寫回模式（writeback）。寫直達模式是，每當CPU把數(shù)據(jù)寫到Cache中時，Cache控制器會立即把數(shù)據(jù)寫入主存對應位置。所以，主存隨時跟蹤Cache的最新版本，從而也就不會有主存將新數(shù)據(jù)丟失這樣的問題。此方法的優(yōu)點是簡單，缺點是每次Cache內(nèi)容有更新，就要對主存進行寫入操作，這樣會造成總線活動頻繁。S3C44B0X中的Cache就是采用的寫直達模式（write?through）。在寫直達模式下，數(shù)據(jù)輸出時，系統(tǒng)會把數(shù)據(jù)同時寫入高速緩沖存儲器Cache和主存中，這樣就保證了輸出時高速緩沖存儲器的一致性。但該模式下，卻無法保證輸入時的高速緩沖存儲器的一致性。
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個區(qū)域，每個區(qū)中有m個存儲塊。各區(qū)中的0~（m-1）塊一一對應地固定映射到Cache中L0~Lm-1行。這樣，標簽只要給定區(qū)地址（區(qū)號），就能唯一確定Cache行與存儲器的對應關系。當CPU發(fā)出存儲器訪問時，以存儲器地址作為行索引，尋址到一高速緩沖行，檢測該行的標簽。若標簽與存儲器的相應地址匹配，則Cache命中。該高速緩存行當前即為欲訪問存儲塊的唯一映像。從上面的分析可以看出，在寫直達模式下，由于每次Cache內(nèi)容有更新，就要對主存進行寫入操作，造成總線活動頻繁。在Cache命中的過程中，如果總線遇到干擾，就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象。
3 Cache一致性問題的解決方法
該問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。能夠通過設置SYSCFG寄存器中CM域中的值為01或11來使能Cache（其中，01為使能4 KB Cache, 11為使能8 KB Cache）,而通過清除SYSCFG寄存器中[2:1]域為0來禁止Cache功能。用禁止Cache的方法來消除數(shù)據(jù)不一致性問題，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個不能Cache訪問的區(qū)域（noncacheable area）。每個區(qū)域要求兩個Cache控制域，用來表明每一個不能Cache訪問區(qū)域的起始和結(jié)束地址。在不能Cache訪問的區(qū)域，當Cache沒有命中，一個讀的時候，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，用設定不能Cache訪問區(qū)域的方法，防止產(chǎn)生數(shù)據(jù)不一致現(xiàn)象。有時，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，因為多數(shù)變量是不能重用的。對于不能重用的變量，刷新16 B的Cache存儲器是浪費的。本系統(tǒng)中設定不能Cache訪問的區(qū)域為0x2000000~0xc000000，就可以解決數(shù)據(jù)不一致問題。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訪問的區(qū)域開始地址
#define Non_Cache_End(0xc000000)
//不能Cache訪問的區(qū)域結(jié)束地址
rSYSCFG= CACHECFG;
// 8 KB cache，寫緩沖使能，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)不一致性的問題。但一個高性能的系統(tǒng)是需要Cache的，禁止Cache的使用會大大降低系統(tǒng)的性能。所以，在嵌入式系統(tǒng)的設計中，還應從硬件方面考慮，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，主頻越來越高，地址、數(shù)據(jù)線越來越多，所以在硬件的設計和焊接過程中應特別注意高頻干擾的問題。因為高頻干擾可以引起信號的不完整性，這些不完整的信號會引起總線傳輸過程中出現(xiàn)一些壞字節(jié)，所以高速PCB設計變得尤為重要。高速PCB設計中，對高速信號網(wǎng)絡的特征與走線控制的設計技術(shù)，已成為高速數(shù)字設備成功與否的關鍵。在設計中應注意下列問題：
?、?在成本允許的條件下， PCB盡量采用多層板布線。
?、?高頻電路布線的引線最好采用全直線，需要轉(zhuǎn)折時，可以用45°折線或圓弧轉(zhuǎn)折。在高頻電路中，滿足這一要求可以減少高頻信號對外的發(fā)射和相互間的耦合。
?、?高頻電路器件引腳的引線層間的交替越少越好，過孔越少越好。據(jù)測，一個過孔可帶來約0.5 pF的分布電容，減少過孔數(shù)量能顯著提高速度。
④ 高頻電路布線要注意信號線近距離平行走線所引入的“交叉干擾”，若無法避免平行分布，可在平行信號線的反面布置大面積“地”來減少干擾。同一層內(nèi)的平行走線幾乎無法避免，但是在相鄰的兩個層，走線的方向務必取為相互垂直。
⑤ 每個集成電路塊的附近應設置一個高頻退耦電容。
⑥ 模擬電路和數(shù)字電路部分，應有各自獨立的地線。
?、?對特別重要的信號線或局部單元實施地線包圍的措施，各類信號走線不能形成環(huán)路，地線也不能形成電流環(huán)路。
在注意了上面的設計規(guī)則之后，制作出的PCB基本上可以滿足高速信號的要求。
最后，就是在焊接時要注意焊點一定要圓滑。因為焊點的尖峰會產(chǎn)生很強的高頻干擾。
有了上述各條規(guī)則，就保證了在信號傳輸過程中，總線上不會出現(xiàn)不必要的干擾，防止了數(shù)據(jù)不一致的發(fā)生。
結(jié)語
嵌入式處理器已經(jīng)被廣泛應用。本文提到的對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的高頻嵌入式處理器。掌握一些設計、調(diào)試的基本經(jīng)驗，可以大大提高工作效率，減小系統(tǒng)開發(fā)過程中不必要的麻煩。
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