TMS320C64x+ DSP - --Cache 优化

图四：tms320c64x cache 存储器结构

cache的数据更新

因为cache也是主存储器中的一部分备份，因此cache是否能实时反映主存储器的数据显得至关重要。当cache里的数据改变，而主存储器内的数据未能改变时，cache里的数据被称为“脏”数据。当数据在主存储中改变，而cache中未能实时改变，cache里的这个数据被称为“延迟”数据。

cache控制器采用一系列的技术来维持cache的一致性从而保证cache里存储的都是有用的信息而不是延迟数据。“监测”和“写回”操作便是两种保持cache一致性的办法。”监测“指的是用来允许cache在主存储器中是否进行影响cache地址的传输。如果cache探测到有这样的传输发生，它将及时更性自己从而匹配主存储器。这个在主存储器中复制数据的过程称为”写回“操作。

因为cache比主存储器体积小，因此经常会被填充满。当此种情况发生时，所有搬到ca

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che里面的新数据将会取代已经存在的数据。这里有多种决定数据取代的方法。例如随机取代法、先入先出取代法、最近最少使用取代法。大多数的处理器采用的都是最近最少使用取代法。这样可以是的最新的数据取代最近最少使用的数据。这种方法来源于时间位置法则。

直接映射cache

cache存储器可以被设置为“直接映射”或者“联合方式”。为了解释这些术语，我们以图四所示的c64x的l1pcache为例，这些cache由512列32字节组成。每一排映射到一些固定的具有相识的存储器地址上。比如：

从0000h 到 0019h的地址经常被cache安排在第0列 从0020h 到 0039h的地址经常被cache安排在第1列 从3fe0h 到 3fffh 的地址经常被cache安排在第511列。

因此一旦我们需要获得地址4000h，由于cache的容量被用尽了，因此从4000h 到 4019h的地址需要从新从第0列开始。

图五：直接映射caches

为了保持复制的数据，每一行的l1pcache包括：

一位有效信号，用来指示cache的列中 是否包含的是有用的信息

一个标记符，其值等于地址的高18位，这个是必须的因为一个指定的列可能包含着不同地址的数据，比如，第0列可以包含的是从0000h 到 0019h的数据，也可以是从4000h 到 4019h的数据。

一个可设置的数据，这个数据等同于从第5位到第13位的地址。对于直接映射方式，这个设置的数据同这个列的值是一样的。而对于联合方式时要更加复杂，这种情况我们将在随后讨论。

现在让我们看看当cpu访问位于0020h的地址时发生了什么。假定cache被完全无效，即意为着所有的列都没有包含有效数据。当cpu发出对地址20h的访问请求时，cache控制器开始首先在部分地址位（比如：从第5位到13位）等同于列地址的位置查询。当这个部分地址值（从第5位到13位）被设置为1时，匹配需查询的地址。控制器将继续检查第一列的标记位是否也和地址0020h 到 0039h的高18位相符合。当这些都完成时，将检查有效数据位看cache保存的是否为有效数据。如果有效数据位为0时，cache控制器记录一个不命中操作。

这个不命中操作将使得控制器将从存储器中将此列的数据0020h-0039h读入，并将该有效数据位设置为1。同时将部分地址值保存在标记符ram中。取得的数据将被传送到cpu中，完成访问操作。

如果这个0020h的地址被再次访问，cache控制器将再次取得这个地址，检查它的设置符和标记符。当有效数据位为1时，控制器将记录一个命中操作，因此cache列里面的数据也将被送到cpu中，完成整个访问操作。

联合设置方式

联合设置方式是直接映射方式的延续。在直接映射方式中，每一个设置只包含一列。而在联合设置方式中，每一个设置包含多个列，被称为多路方式。图五中阐述了这样一个联合设置的cache，以c64x dsp's l1d为例。这是一个两路的包含64个字节总共16kbytes容量的联合设置cache。

为了保持数据，l1dcache的每一列包含以下：

一个最近最少使用位用来指示哪些路最近很少被使用（这个在l1p中未被使用）；

一个脏数据位，用来指示cache列是否匹配主存储器的容量（这个在l1p中未被使用）； 一个有效数据位，用来指示cache列中包含的是否是有效数据； 一个标记位，等价于地址的高18位； 一个设置数据，等价于地址的5到13位。

命中和不命中决定的方式和直接映射cache方式是一样的。不同的是此时需要两个标记位，一个标记位记录是哪一路的请求数据。如果是第0路的数据被命中，则第0路的列中的数据被访问，如果是第1路的数据被命中，则第1路的列中的数据被访问。

如果两路均不命中的话，数据将从内存中被指派。一个最近最少使用位将

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决定数据如何分配类似于一个开关操作。如果被指派的第0列的最近最少使用位被设置为0，那么将把此数据分配于第一列。无论对这个cache列是读还是写的访问，都将改变这个最近最少使用标记位。例如：如果第0路的列被读取，则最近最少使用位将切换到1。由于最近最少使用位只记录不命中操作，但是它的状态每次都会更新，无论对列访问是命中还是不命中，读或者写。

对于l1p来说，l1d是一个读分配的cache，不管新数据在内存中申请时读操作是命中或者不命中。在一个写不命中操作时，数据从写存储器传递到内存中，绕过l1dcacee。在一个写命中操作时，数据写入cache中而不是立即写入内存。当数据被cpu写访问改变时，cache里的内容将提交给一个写回cache，随后数据将被写入内存中。

脏数据位指示当cache里面的数据被写操作修改时，而修改后的新数据还未被写入到主存储器中。最初脏数据位将被赋值为0。一旦当cpu对某列进行写操作时，脏数据位将变为1。当此列被逐出cache时，这个数据将被写回主存储器中。当发生读不命中操作时新数据将从脏数据列中申请，这种情况才会发生。一个写回命令将传递给cache控制器从而产生一个写回操作，只是这种情况并不经常发生。

优化cache性能

这里有三种不命中的情况：

必然不命中（也叫首次不命中）：这种不命中发生在当数据第一次放入cache中，为了和下面两种不命中方式区分开来，它们可以被避免。

冲突不命中：不命中发生在在该列在被重复使用之前被取代。

容量不命中：这种方式发生在当cache容量被耗尽时，容量不命中是冲突命中的一种方