Cache在POWERPC處理器板中的應用

摘要：高速緩沖存儲器Cache技術是現(xiàn)代處理器設計中的核心技術，文中詳細討論了Cache如何應用在POWERPC計算機板中。
關鍵詞：L1Cache；L2Cache；主存；命中率

    Gibson提出高速緩存存儲器(Cache)技術后，1969年首先在IBM360／80計算機上得以實現(xiàn)這種技術?，F(xiàn)在，這一技術不僅為大、中型計算機而且也為小型、微型計算機廣泛采用。解決主存與CPU的速度差異問題的技術措施有多種，設置Cache是提高存儲系統(tǒng)速度一個有效方法。  Cache是介于主存和CPU之間、速度數(shù)倍于主存而容量較小的快速存儲器，它的作用是使CPU能使用一個速度與CPU相當，而容量與主存相同的存儲系統(tǒng)。使用這種方法可使微機系統(tǒng)在成本增加不大的前提下性能得到較大提高。
    一般的處理器中只有一級Cache，它與主存儲器構成一個兩級的存儲系統(tǒng)。一些高性能的處理器都采用兩級Cache，第一級Cache在CPU內(nèi)部，容量很小，速度很快；第二級Cache在主板上，容量較大，速度比第一級低5倍左右。
    Cache與主存儲器相比容量較小，它所保存的信息只是主存內(nèi)容的一個子集。特別要注意的是，CPU與Cache之間的信息交換以“字”為單位，而Cache與主存之間的信息交換是以“塊”為單位，一個塊由若干字組成，是定長的。塊的大小通常取一個主存周期所訪問到的字節(jié)數(shù)。
    當CPU試圖讀取主存一個字時，發(fā)出此字內(nèi)存地址到Cache和主存，此時Cache控制邏輯依據(jù)地址進行判斷此字當前是否在Cache中。若是，此字立即遞交給CPU，否則，要用主存讀取周期把這個字從主存讀出送到CPU，與此同時把含有這個字的整個數(shù)據(jù)塊從主存讀出送到Cache中。由于程序的存儲器訪問具有局部性，當為滿足一次訪問需求而取來一數(shù)據(jù)塊時，下面的多次訪問很可能讀取此塊中的其他字。

1 局部性原理和命中率
    對大量典型程序運行情況的分析結(jié)果表明，在一個較短的時間間隔內(nèi)，程序?qū)Υ鎯ζ鞯脑L問不是任意的、隨機的，而是對某一局部范圍的存儲器地址頻繁訪問，對此范圍以外地址則訪問很少，這就是程序訪問的局部性。根據(jù)程序的局部性原理，可以在主存和CPU之間設置一個高速的容量相對較小的存儲器，把正在執(zhí)行的指令地址附近的一部分指令或數(shù)據(jù)從主存調(diào)入這個存儲器，供CPU在一段時間內(nèi)使用。這對提高程序的運行速度有很大的作用。這個介于主存和CPU之間的高速小容量存儲器稱作高速緩沖存儲器(Cache)。CPU訪問存儲器時，首先檢查Cache，如果訪問的數(shù)據(jù)在Cache中，則CPU就能很快完成訪問，這種情況稱之命中。命中率越高，正確獲取數(shù)據(jù)的可靠性就越大。一般來說，Cache的命中率決定于Cache容量、Cache控制算法和Cache的結(jié)構。設計較好的Cache系統(tǒng)，命中率應存90％以上。至于沒有命中的數(shù)據(jù)，CPU只好直接從主存中獲取，同時也把它復制到Cache中，以備下次訪問。

2 Cache一致性與寫策略
    在由Cache和主存儲器共同構成的Cache存儲系統(tǒng)中，從工作原理可知，CPU只對Cache某行信息進行修改，而主存儲器內(nèi)容卻沒有修改，而其他的主控者(處理器、I／O控制器等)全由主存儲器得到過時的信息。同樣，若其他主控者修改主存儲器信息，而Cache卻沒有得到修改相應行的通知，CPU會由Cache得到過時的信息。這兩方面都會導致Cache與主存容不一致，也就是Cache的一致性問題。
    為了維護Cache的一致性必須從兩方面入手，一方面涉及到處理器所采用的Cache寫策略，另一方面涉及到處理器所采用的Cache一致性協(xié)議。
2．1 寫直達法(Write—Through)
    中文譯名稱為寫貫通法。顧名思義，它的做法是當Cache寫命中，Cache與主存同時發(fā)生寫修改。這種策略顯然較好地維護了Cache與主存的內(nèi)容一致性，但這并不等于說全部解決一致性問題。例如在多處理器系統(tǒng)中各CPU都有自己的Cache，一個主存塊若在多個Cache中都有一份拷貝的話，某個CPU以寫直達法來修改它的Cache和主存時，其他Cache中的原拷貝就過時了。即使在單處理器系統(tǒng)中，也有I／O設備不經(jīng)過Cache向主存寫入的情況。
2．2 寫回法(Write—Back)
    當CPU對Cache寫命中時，只修改Cache的內(nèi)容不立即寫入主存，只當此行被換出時才寫回主存。這種策略使Cache在CPU-主存之間，不僅在讀方向而且在寫方向上都起到高速緩存作用。對一Cache行的多次寫命中都在Cache中快速完成修改，只是需要替換時才寫回主存，減少了訪問主存的次數(shù)從而提高了效率。
2．3 寫一次法(Write—Once)
    寫一次法是一種基于寫回法又結(jié)合了寫直達法的寫策略，即寫命中和寫未命中的處理與寫回法基本相同，只是第一次寫命中時要同時寫入主存。這種方法主要用于某些處理器的片內(nèi)Cache。
L1Cache在POWERPC中的使用MPC755處理器內(nèi)部Cache的執(zhí)行有以下特點：
    分別有兩個32-Kbyte的數(shù)據(jù)和指令Cache；
    指令和數(shù)據(jù)Cache有8種設置聯(lián)系方式；
    Cache的地址是物理尋址的，物理地址的標簽儲藏在Cache的地址錄中；
    每一種Cache的打開與設置，可以通過設置寄存器HID0和特殊的寄存器SPR來設置。
2．4 在POWERPC處理器中設置Cache
    在Memory中設置WIMG。其中，WIM改變是在頁表方式和塊方式下進行改變和設置的。
    配置MMU寄存器，對MMU寄存器的塊模式進行配置。
    配置HID0寄存器的Cache管理化。

3 L2Cache在POWERPC中的使用
    PPC755配置成1M的L2Cache，如下圖。

3．1 L2Cache的初始化
    清除L2CR的L2E，L2CR地址為“1017”；
    設置L2CR的參數(shù)；
    置 L2CR[L2I]位，執(zhí)行L2Cahe的global_invalidata動作；
    判 L2CR[IP]位，如果為“1”，則表示global_invalidata動作完成，否則繼續(xù)判，直到變?yōu)?ldquo;1”；
    如果 L2CR[IP]位變?yōu)?ldquo;1”，則清除L2CR[L2I]位；
    使能 L2Cache，設置L2CR[L2E]位為“1”。
3．2 2Cache有效性測試
    在原有程序基礎上，初始化L2Cache，使能L1Cache和L2Cache；
    運行某段程序(或任務)，通過設置輸出離散量的高低電平，觀察示波器波形長短，來判斷L2Cache的有效性。

4 結(jié)束語
    在計算機系統(tǒng)中，Cache技術有效地解決了處理器和存儲器速度問不匹配問題。通過對POWERPC處理器L1Cache與L2Cache的使用，使POW ERPC處理器的性能得到了很大的提高。