ARMv7-A Cache Architecture

cache以地址来进行查找 Cache 的，那么我们到底是用虚拟地址还是物理地址呢？三种方式：

1、早期的 ARM 处理器，如 ARM720T 或 ARM926EJ-S 处理器使用虚拟地址提供 Index 和 Tag。 这有一个优点，即 CPU 不需要虚拟到物理地址转换就可以进行缓存查找。 缺点是，每当进行进程切换（虚拟地址映射表发生改变），Cache 中的虚拟地址就不能再用了，导致性能下降，现在这种方式已经淘汰。

2、使用物理地址来查找 Cache（我们叫它 PIPT），那么这么做很明显解决了第一种的缺点（因为是以物理地址进行 Cache 的，不管映射表怎么变，物理地址不会变）。但是由引入了一个缺点：每次进行查表的时候，都需要到MMU去进行地址转换，这样增加了查找cache需要的时间，效率明显没有采用虚拟地址的高。注：这种方法，依赖MMU，即MMU关闭，Cache 就必须关闭；

3、是第 1 种和第 2 种的折中处理，将这个查找过程分为两步，Tag 用物理地址表示，Index 用虚拟地址的，我们叫它 VIPT（Virtually Indexed, Physically Tagged）。那么怎么实现呢？首先，由于 Cache 控制器和 MMU 是两个独立模块，因此通过 MMU 去查找 Tag 和通过 Index 去 Cache 查找 Way 是相互独立的即可以同时运行。即当用 Index 去 Cache 查找 Set（上面有解释，即 Index 相同，但处于不同 Way 的一组集合）的同时也在用虚拟地址去 MMU 找物理地址的 Tag，当从cache找到一组set（line[way]）的时候（因为只提供了index，因此cache control不知道到底是哪个way，所以返回每个包含index的way），此时MMU中也查到了物理tag，然后再用该物理tag去匹配返回的set，最后获取到对应的 cache line。常用CPU情况如下。

可能到这里有人会问了，混合使用物理地址和虚拟地址不会有问题吗？毕竟虚拟地址在进程发生变动的时候是会不断变化的。理论上是不会有问题的，为什么呢？我们知道我们的虚拟映射表了，我们的映射表一般是以4K为一个page，即4k对齐，不管虚拟地址怎么发生变化，一个page内的偏移是不变的。要寻址一个4k大小我们需要[11:0]共12个bit来提供支持，即在MMU当中，虚拟地址的低12位和物理地址的低12位是相同的。假如我们用的是一个16kb大小，含有4个way，每个line 32bytes的cache，那么通过计算[4:0]用于cache的offset定位，[11:5]则用于cache的index定位。如上所说，虚拟地址和物理地址的[11:0]是相同的，因此index用虚拟地址就不会有影响。但是话又说回来，如果我们的cache大小超过了16k，加入为32kb呢？那么我们以32KB，含有4个way，每个line 32bytes的cache来说，[4:0]用于offset定位，[12:0]用于index定位，那么问题来了，由于虚拟地址和物理地址仅仅是[11:0]相同，那么第13位在发生切换后，就可能会出现0/1两个值，意味着一个物理地址可能会同时占用2个cache line，即两个副本， 这样就会容易引发cache一致性的问题。针对于这种cache alias问题，目前的方案是由操作系统来保证，对于同一物理地址在不同进程空间的虚拟地址，他们的虚拟地址的差一定是cache way大小的整数倍，也就是说他们的第13位一定是相同的。同时已经有些cpu厂商在开发监视模块，试图在硬件层面解决类似的同步问题。同理对于64kb的cache也采用同样的方法。

ARMv7-A Cache policies

在 Cache 操作策略中可以做出许多不同的选择。

Allocation Policy

第一种，CPU读数据时。只有当读取的时候，发现cache miss，才从cache中申请一个line去缓存该数据。写的时候，不申请，直接写入下一级。

第二种，写和读时。只要访问时，不管读或者写，发生了cache miss都去申请一个cache line。

Replacement Policy

当 Cache miss 的时候，Cache 替换策略：

第一种，Round-robin 或者循环替换策略；

第二种，Random 替换，Cache 存满并且出现 Cache miss，如果来了一条新的，则随机找一个 Cache Line 被替换；

第三种，LRU(Least Recently Used) 算法替换，方法如名字，当 Cache 存满了后，如果来了一条新的，则选择最近最少使用的被替换；

Write Policy

第一种，Write-Back 模式：写数据时，只向 Cache写入数据，并标记 Cache 为 Dirty，然后在合适的时机将数据更新到主存；

第二种，Write-Through 模式：写数据时，Cache 和主存都要写一份；