【Cache篇】初见Cache

        在最初开发ARM架构时，处理器的时钟速度和内存的访问速度大致相同。今天的处理器内核要复杂得多，其时钟速度可以快上几个数量级。但是，外部总线和内存设备的频率并没有扩大到同样的程度。有可能实现小块的片上SRAM，它可以以与内核相同的速度运行，但是与标准的DRAM块相比，这种RAM非常昂贵，因为后者的容量可以达到数千倍。在许多基于ARM处理器的系统中，访问外部存储器需要几十甚至几百个内核周期。 缓存是位于核心和主内存之间的一个小型快速内存块。它存储了主存储器中资料的副本。对高速缓冲存储器的访问比对主存储器的访问快得多。每当内核读取或写入一个特定的地址时，它首先在高速缓存中寻找。如果它在高速缓存中找到该地址，它就会使用高速缓存中的数据，而不是对主内存进行访问。这大大增加了系统的性能，因为它减少了缓慢的外部存储器访问时间的影响。

        实现ARMv8-A架构的处理器通常有两级或更多的高速缓存。这通常意味着处理器的每个内核都有小的L1指令缓存和数据缓存。Cortex-A53和Cortex-A57处理器通常采用两级或多级缓存，即一个小的L1指令和数据缓存和一个较大的、统一的L2缓存，该缓存在集群的多个内核之间共享。此外，还可以有一个外部L3高速缓存作为外部硬件块，在集群之间共享。

        向高速缓存提供数据的初始访问并不比正常速度快。对缓存值的任何后续访问才会更快，而性能的提高正是来自于此。核心硬件会检查缓存中所有的指令获取和数据读取或写入，尽管你必须将内存的某些部分，例如包含外围设备的部分，标记为不可缓存的。因为高速缓存只容纳了主内存的一个子集，所以你需要一种方法来快速确定你要找的地址是否在高速缓存中。

        少数情况下，高速缓存中的数据和指令与外部存储器中的数据可能不一样；这是因为处理器可以更新高速缓存的内容，而这些内容还没有被写回主存储器。另外，一个代理可能会在一个核心拿了自己的拷贝后更新主内存。这是一个连贯性的问题，在第14章中有描述。当你有多个内核或内存代理（如外部DMA控制器）时，这可能是一个特别的问题。（埋点+1）

        在冯-诺依曼架构中，指令和数据使用一个缓存（一个统一的缓存）。修改后的哈佛架构有独立的指令和数据总线，因此有两个高速缓存，一个指令高速缓存（I-Cache）和一个数据高速缓存（D-Cache）。在ARMv8处理器中，有不同的指令和数据L1高速缓存，由统一的L2高速缓存支持。缓存需要保存地址、一些数据和一些状态信息。

下面我们一个个解释上图中的cache名词：

Tag

Tag是cache内存地址的一部分，用于关联与某一行数据的主内存地址。

64位地址的最高位（Tag）告诉cache信息来自于主内存。cache的总大小衡量了其所能容纳的数据量。尽管用于容纳Tag值的RAM不包括在计算中，但是Tag确实占用了cache中的物理空间。

Cache Line 一个Tag关联一组Cache数据

如果为每个Tag地址保存一个字的数据，效率会很低，所以通常在同一个Tag下将几个位置组合在一起。这种逻辑块通常被称为Cache Line，指的是缓存中最小的可加载单元，即主内存中的一个连续字块。当一个Cache Line包含已缓存的数据或指令时，它被认为是有效的，而当它不包含已缓存的数据或指令时，则是无效的。

与每一行数据相关的是一个或多个状态位。通常情况下，你有一个有效位，将该行标记为包含可使用的数据。这意味着该地址标签代表了一些真实的值。在数据缓存中，你可能还有一个或多个脏位，标记缓存行（或其一部分）是否包含与主内存内容不相同（比其新）的数据。

Index

Index是内存地址的一部分，它决定了在cache的第几行可以找到这个地址。

64位地址的中间位，即Index，标识了此地址是在Cache的第几行。Index被用作查找Cache RAM的地址，不需要作为Tag的一部分进行存储。

Way

一条Way是一个缓存的细分，每条Way的大小相等，并以相同的方式进行索引（Index）。一个Set由共享一个特定索引的所有方式的Cache Line组成。

这意味着地址的低几位（称为Offset）不需要存储在标签中。你需要的是整行的地址，而不是行内每个字节的地址。因此，64位地址中其余的五个或六个最不重要的位总是0。

总结一下：Cache由一片片Set和对应的Tag表组成。对于每片Set，它又由Cache Line一条条组成。Tag表标记了各行Tag所关联的Cache Line。

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