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MIPS--cache管理2009年02月15日 星期日 13:12 没有Cache的MIPSCPU不能称为真正的RISC。可能这样说不公平。但为了一些特 殊的目的，你可以设计一个含有小而紧密内存的MIPSCPU，而这些内存只需要固定个数的流水线步骤（最好是一个）就可以被访问到。但绝大部分MIPS CPU都是含有cache的。 这一章将介绍MIPS的cache怎样工作和软件应该怎么做才能使它可以被使用而且是可靠的。MIPSCPU重新启动后，cache的状态是不确定的，所 以软件必须非常小心。你有一些线索知道cache的大小（如果你直接知道cache的大小后去初始化，这是一个不好的软件习惯。）。对于诊断程序员，我们 将讨论怎样测试cache和获取特殊入口。 对于实时应用程序的程序员，希望在CPU运行时能够正确地控制cache。我们也将讨论怎么做，虽然我对使用一些窍门方式有怀疑。 当然这些也随着MIPSCPU的发展而进步。对于早期的32位MIPS处理器，初始化cache或者使其无效，首先让cache进入一种特殊的状态，然后 通过普通的读写操作来完成。对于后来的处理器，一些特殊的指令被定义出来做这些相关的操作。 4.1 cache和cache的管理 cache的工作就是将内存中的一部分数据在cache中保留一个备份，使这些数据能一个固定的极短的时间内被快速的存取并返回给CPU，这样能保证流水 线的连续运行。 绝大部分MIPSCPU针对指令和数据有其各自的cache（分别称为Icache和Dcache)，这样读一条指令和一个数据的读操作或者写操作就能同 时发生。 老的CPU家族（象x86)为了保证被写入CPU的代码的一致性，所以没有cache。现在的x86芯片拥有更灵活的硬件设计，从而保证软件没有必要从更 本上了解cache（如果你正在装一台机器跑MS/DOS，它将在本质上提供一致性）。 但因为MIPS机器有各自的cache，所以就没有必要那么灵活。cache对于应用程序来说必须是透明的，除了除了能感觉到运行速度的增加。但对于系统 程序或者驱动程序，拥有cache的MIPSCPU并没有尝试cache对它们也是透明的。cache仅仅使CPU跑得更快，而不能给系统程序员有所帮 助。在象Unix一类的操作系统中，操作系统能对应用程序完全隐藏cache，当然对于更多不能的胜任的操作系统，其也能很好的隐藏大部分cache的处 理，但你可能必须知道在什么时候需要调用适当的子程序来对cache做一些必要操作。 4.2 cache怎样工作 从概念上讲，cache是一个相连内存（associative memory），当数据被写入时用数据的一部分作为关键字来标志的一块存储区域。在cache中，关键字是整个内存的地址。提供一个相同的关键字给相连内 存，你将得到相同的数据。一个真实的相连内存在存入条目时，将完全按照它们的关键字，除非它已经满了。然而，由于需要这个当前的关键字必须和所有被存的关 键字同时比较，因此任何大小的真实相连内存不是效率低或速度慢，或者就是两者都有。 怎样我们才能设计有用的高速缓存，使其不仅效率高而且速度快呢？图4.1展示了一种最简单高速缓存的基本设计方案，直接映射（direct- mapped）高速缓存。它被1992年以前的MIPSCPU广泛使用。 直接映射cache由许多块简单的高速缓存排列构成（通常每一块称之为一line），通过地址低位在整个范围内做索引。cache的每一条line都包含 一个字或者几个字的数据和一个标签（tag）区域，tag记录着数据所在内存的地址。 当一个读操作时，每一条line都可以被访问到，tag将和内存地址的高位做比较；如果匹配的话，我们知道是找到正确的数据了，这被称之为命中 （hit）。如果在这一块中有超过一个字的数据，对应的那个字的数据通过地址的最低几位来选择出来。 如果tag没有匹配，这称之为没有命中（miss），那么数据需要从内存中读入，然后复制到cache对应的line中。这对应line中原来的数据将会 被抛弃，如果CPU又需要被抛弃的数据时，需要再次从内存中取得。 这样的直接映射cache有一个特征，就是对于任何一个内存地址，在高速缓存中只有唯一的一条line可以用来保存其数据。这样有好处也有坏处。好处就是 这样的架构简单，可以使CPU跑得更快。但简单也有其不好的一面：如果你的程序要不停地交替使用两个数据，而它们刚好要对应高速缓存中的同一块（可能是它 们对应内存地址的低位刚好一样），这样这两个数据就会不停的将对方替换出高速缓存，以至高速缓存的效率被彻底的降下来。 而真正的相连内存将不会遇到这样的折腾，但对于任何合理大小，它将是难以想象的复杂、昂贵和速度缓慢。