cache一致性

1、cache一致性的基本原理

2、DMA与cache一致性

一、cache一致性的基本原理

　　在现代处理器系统中，CPU的主频远高于主存读写速度，主存的读写速度成为程序执行效率的瓶颈；为了解决这个问题，在CPU和主存之间引入了Cache存储器，基于程序执行的局部性原理，在程序执行时，将正在使用的数据从主存拷贝一份到Cache，这样CPU就可以直接从Cache读写数据以改善主存读写速度慢的问题；

　　引入Cache存储器后，同样的数据就有可能同时存在于主存和Cache中，那么CPU或外部设备在读写数据的时候就需要保证读写到最新的数据，这个最新的数据可能在Cache也可能在主存里面（而且每个CPU都有各自的Cache，也就是数据可能同时存在于多个CPU的Cache里面），那么就需要有机制来保证读写数据时访问到最新数据，也就是Cache一致性；

　　在一个处理器系统中，主设备（cpu或者外部设备）进行存储器访问时，将试图从存储器系统（主存储器或者其他cpu的cache）中获得最新的数据副本；如果该主存访问的数据没有在本地命中时，将从其他cpu的cache中获得数据，如果这些数据仍然没有在其他cpu的cache中命中，主存储器将提供数据；外部设备进行存储器访问时，也需要进行cache共享一致性。

　　为了解决Cache一致性，现代处理器系统引入了Cache一致性处理协议，这些协议由硬件实现，不需要软件干预（需要注意的是，这个协议需要硬件支持，有的soc硬件支持，有的sos硬件是不支持的），以MOESI协议为例，这个协议使用5个状态位描述每一个Cache行：

　　M位：该位为1表示当前Cache行中包含的数据与主存不一致，并且仅在本cpu的cache中有效，不在其他cpu的cache中存在副本，并且cache中的数据比主存新；

　　E位：该位为1表示当前Cache行中包含的数据与主存一致，并且仅在本cpu的cache中有效，不在其他cpu的cache中存在副本；

　　O位：该位为1表示在当前Cache行中包含的数据是当前处理器系统最新的数据副本，并且在其他cpu中一定具有该Cache的副本，其他cpu的cache行状态为S；

　　S位：如果其他cpu存在O位置1的副本，那么本cache行的数据与主存不一致，如果其他cpu不存在O位置1的副本，那么本cache行的数据与主存一致；

　　I位：该位为1表示当前Cache行中没有有效数据或者该Cache行没有使能；

　　MOESI协议根据这几个状态位实现了一个状态机（如下），当cpu读取数据时，硬件就会根据状态位，按照状态机行为做相应处理，比如，当cpu A读取的数据从cpu B中命中时，如果在cpu B中cache行的状态为M时，将迁移到O，同时cpu B将数据传送给cpu A新申请的cache行中，而且cpu A的cache行状态将被更改为S；

二、DMA与cache一致性

　　外部设备使用DMA读写内存时，由于cache存储器的存在，内存数据可能存在于cache中，这时就需要处理cache一致性问题；比如，使用DMA读内存数据时，如果cache中的数据比内存新，那么就需要先把cache的数据刷新到内存再读，使用DMA往内存写数据时，如果cache数据比内存旧或与内存一致，那么直接无效cache行，然后往主存写数据，如果cache数据比内存新，那么就需要先将cache的数据刷新到内存，然后DMA再往内存写数据；

　　如果硬件支持cache一致性处理协议，那么使用DMA时，软件就不需要处理cache一致性的问题，如果硬件不支持cache一致性处理协议，那么就需要软件来处理cache一致性的问题，在linux操作系统上，软件有2种接口来处理DMA的cache一致性问题：

　　1、使用cache一致性的接口dma_alloc_coherent申请DMA读写的内存

　　这个接口linux内核做了特殊处理，具体的实现可以由soc厂商定制；该接口默认申请的内存是nocache属性的，但是，如果硬件支持cache一致性协议，厂商可以定制该接口，使得该接口申请的内存是cache属性的；

　　2、使用流式DMA

　　这种方式假设硬件不支持cache一致性协议，DMA使用的内存又是cache属性的，因此，由软件来保证DMA读写的cache一致性，操作步骤大致如下：

　　DMA读内存数据到外设：

　　1. 启动DMA读内存前使用dma_map_single接口将cache数据刷新到内存，保证DMA读到最新数据；

　　2. DMA读完数据后，在cpu操作内存前，需要使用dma_unmap_single接口操作内存，这个接口会刷新cache，保证cpu读写到最新数据；

　　DMA写数据到内存：

　　1.启动DMA写内存前使用dma_map_single接口将cache数据刷新到内存，保证DMA操作时，内存中的数据最新，如果内存要反复使用，那么也可以使用dma_sync_single_for_device接口来刷cache到内存；

　　2. DMA写完数据后，在cpu操作内存前，需要使用dma_unmap_single接口操作内存，这个接口会刷新cache，保证cpu读写到最新数据，也可以使用dma_sync_single_for_cpu接口来保证；