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展，嵌入式CPU的主頻不斷提高，這就造成了慢速系統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部集成了高速緩存Cache。其中，三星公司的S3C44B0X內部就集成了8 KB空間統一的指令和數據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，所需的指令和數據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的性能。采用Cache技術，即在Cache中存放CPU常用的指令和數據，然后將這些數據和指令以一定的算法和策略從主存中調入，使CPU可以不必等待主存數據而保持高速操作。這樣就滿足了嵌入式系統實時、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一致性問題的發現
　　本項目的目標板為：處理器采用ARM芯片S3C44B0X，存儲器采用2片Flash和1片SDRAM,在調試的時候輸入采用鍵盤，輸出采用顯示器，用RS232串口實現通信。
　　在項目的開發過程中，經軟件仿真調試成功的程序，燒入目標板后，程序卻發生異常中止。通過讀存儲器的內容發現，程序不能正常運行在目標板上，是因為存儲器中寫入的數據與程序編譯生成的數據不一致，總是出現一些錯誤字節。
　　經過一段時間的調試發現，只要在程序中禁止Cache的使用，存儲器中寫入的數據將不再發生錯誤，程序可以正常運行，但速度明顯減慢。經過分析，認為問題是由于Cache數據與主存數據的不一致性造成的。
　　Cache數據與主存數據不一致是指：在采用Cache的系統中，同樣一個數據可能既存在于Cache中，也存在于主存中，兩者數據相同則具有一致性。
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把數據寫到Cache中時，Cache控制器會立即把數據寫入主存對應位置。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據丟失這樣的問題。此方法的優點是簡單，缺點是每次Cache內容有更新，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，數據輸出時，系統會把數據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。全相聯方式、直接映像方式和組相聯方式。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m,把主存分為n/m個區域，每個區中有m個存儲塊。各區中的0~（m-1）塊一一對應地固定映射到Cache中L0~Lm-1行。這樣，標簽只要給定區地址（區號），就能唯一確定Cache行與存儲器的對應關系。當CPU發出存儲器訪問時，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，就會出現數據不一致的現象。
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的方法來消除數據不一致性問題，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訪問的區域（noncacheable area）。每個區域要求兩個Cache控制域，用來表明每一個不能Cache訪問區域的起始和結束地址。在不能Cache訪問的區域，當Cache沒有命中，一個讀的時候，Cache不能更新。在已知影響到數據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訪問區域的方法，防止產生數據不一致現象。有時，如果數據區域被安排在不能Cache區域，程序執行速度更高，因為多數變量是不能重用的。對于不能重用的變量，刷新16 B的Cache存儲器是浪費的。本系統中設定不能Cache訪問的區域為0x2000000~0xc000000，就可以解決數據不一致問題。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訪問的區域開始地址
　　#define Non_Cache_End(0xc000000)
　　　　　　　　　　　　　　　　//不能Cache訪問的區域結束地址
　　rSYSCFG= CACHECFG;
　　　　　　　　　　　　　　　　// 8 KB cache，寫緩沖使能，data abort使能
　　rNCACHBE0= ((Non_Cache_End>>12)<<16)|(Non_Cache_Start>>12);//在上面的數據區域不使用高速緩存Cache
　　采用上述兩種方法，排除了數據不一致性的問題。但一個高性能的系統是需要Cache的，禁止Cache的使用會大大降低系統的性能。所以，在嵌入式系統的設計中，還應從硬件方面考慮，從根本上防止數據不一致的產生。
3.2 硬件的解決方法
　　由于現在的嵌入式處理器，主頻越來越高，地址、數據線越來越多，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一些壞字節，所以高速PCB設計變得尤為重要。高速PCB設計中，對高速信號網絡的特征與走線
控制的設計技術，已成為高速數字設備成功與否的關鍵。在設計中應注意下列問題：
　　① 在成本允許的條件下， PCB盡量采用多層板布線。
　　② 高頻電路布線的引線最好采用全直線，需要轉折時，可以用45°折線或圓弧轉折。在高頻電路中，滿足這一要求可以減少高頻信號對外的發射和相互間的耦合。
　　③ 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。據測，一個過孔可帶來約0.5 pF的分布電容，減少過孔數量能顯著提高速度。
　　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 模擬電路和數字電路部分，應有各自獨立的地線。
　　⑦ 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路，地線也不能形成電流環路。
　　在注意了上面的設計規則之后，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生很強的高頻干擾。有了上述各條規則，就保證了在信號傳輸過程中，總線上不會出現不必要的干擾，防止了數據不一致的發生。

結語
　　嵌入式處理器已經被廣泛應用。本文提到的對S3C44B0X中Cache數據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、調試的基本經驗，可以大大提高工作效率，減小系統開發過程中不必要的麻煩。