深度学习arm cache系列--一篇就够了

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1. cache的基本概念介绍

1.1、为什么要用cache?

ARM 架构刚开始开发时，处理器的时钟速度和内存的访问速度大致相似。今天的处理器内核要复杂得多，并且时钟频率可以快几个数量级。然而，外部总线和存储设备的频率并没有达到同样的程度。可以实现可以与内核以相同速度运行的小片上 SRAM块，但与标准 DRAM 块相比，这种 RAM 非常昂贵，标准 DRAM 块的容量可能高出数千倍。在许多基于 ARM 处理器的系统中，访问外部存储器需要数十甚至数百个内核周期。

高速缓存是位于核心和主内存之间的小而快速的内存块。它在主内存中保存项目的副本。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特定地址时，它首先会在缓存中查找。如果它在高速缓存中找到地址，它就使用高速缓存中的数据，而不是执行对主存储器的访问。通过减少缓慢的外部存储器访问时间的影响，这显着提高了系统的潜在性能。通过避免驱动外部信号的需要，它还降低了系统的功耗

1.2、为什么要学习cache呢？

cache和我们软件工程师有啥关系？其实在很多时候，都没有太大的关系，在很多时候也无需去理解cache的原理。但事实就是事实，不管你理解还是不理解，你都是一直在用的。做为一名底层的软件开发者，在有些时候，你不得不去主动刷新cache，即软件中维护内存一致性 。
那么一般什么时候需要主动刷cache呢(软件中维护内存一致性) ? 基本就是当有不同的Master来访问相同的内存的时候。如下便是几个小示例。

1.2.1、软件中维护内存一致性 – invalid cache

1.2.2、软件中维护内存一致性 – flush cache

1.3、怎么去刷cache呢？

ARM提供了操作cache的指令， 软件维护操作cache的指令有三类:

• Invalidation：其实就是修改valid bit，让cache无效，主要用于读
• Cleaning： 其实就是我们所说的flush cache，这里会将cache数据回写到内存，并清楚dirty标志
• Zero：将cache中的数据清0, 这里其实是我们所说的clean cache.

什么时候需要软件维护cache：
(1)、当有其它的Master改变的external memory，如DMA操作
(2)、MMU的enable或disable的整个区间的内存访问，如REE enable了mmu，TEE disable了mmu.

针对第(2)点，cache怎么和mmu扯上关系了呢？那是因为:
mmu的开启和关闭，影响了内存的permissions, cache policies

1.3.1、cache一致性指令介绍

因为本节为第一篇，也就是基本的概念介绍。我们很多深入的原理还不明白。所以就不对以下指令做深入的解读。你只需理解有这么多指令可用于“软件维护cache的一致性”就好。后续当深入理解了cache的各种策略原理后，再回过头来看这些指令，相信会有较大的收获。

以下是对维护cache的一致性指令做出的一个总结

1.3.2、cache一致性指令的使用示例

1.3.3、 操作系统中软件维护cache一致性的API

在操作系统中，我们只需要调用相关的API即可，也无需牢记以上的维护cache一致性的命令。

比如在Linux Kernel 操作Cache的API如下所示：

linux/arch/arm64/mm/cache.S
linux/arch/arm64/include/asm/cacheflush.h


void __flush_icache_range(unsigned long start, unsigned long end);
int  invalidate_icache_range(unsigned long start, unsigned long end);
void __flush_dcache_area(void *addr, size_t len);
void __inval_dcache_area(void *addr, size_t len);
void __clean_dcache_area_poc(void *addr, size_t len);
void __clean_dcache_area_pop(void *addr, size_t len);
void __clean_dcache_area_pou(void *addr, size_t len);
long __flush_cache_user_range(unsigned long start, unsigned long end);
void sync_icache_aliases(void *kaddr, unsigned long len);
void flush_icache_range(unsigned long start, unsigned long end)
void __flush_icache_all(void)

1.4、总结

小小总结一下，当有其它硬件(如DMA)和CPU访问同一块内存时，那么这个时候的操作需要小心，一般也就是记得调用invalid cache和flush cache相关的函数即可

2. cache的基本概念原理扫盲

2.1、cache是多级相连的

cache是多级的，在一个系统中你可能会看到L1、L2、L3, 当然越靠近core就越小，也是越昂贵。
一般来说，对于bit.LITTLE架构中，在L1是core中，L1又分为L1 data cache和 L1 Instruction cache， L2 cache在cluster中，L3则在BUS总线上。

2.2、cache一般是和MMU结合在一起使用的

很多时候cache都是和MMU一起使用的(即同时开启或同时关闭)，因为MMU页表的entry的属性中控制着内存权限和cache缓存策略等

在ARM架构中，L1 cache都是VIPT的，也就是当有一个虚拟地址送进来，MMU在开始进行地址翻译的时候，Virtual Index就可以去L1 cache中查询了，MMU查询和L1 cache的index查询是同时进行的。如果L1 Miss了，则再去查询L2，L2还找不到则再去查询L3。 注意在arm架构中，仅仅L1是VIPT，L2和L3都是PIPT。

2.3、bit-LITTLE架构 和 DynamIQ架构 的cache是有区别的

2.3.1 bit-LITTLE架构的cache

以下是一张比较早期的经典的bit-LITTLE的架构图

在bit-LITTLE的架构中，L1是在core中的，是core私有的；L2是在cluster中的，对cluster中的core是共享的；L3则对所有cluster共享。bit-LITTLE的架构的一个cache层级关系图如下所示：

2.3.2 DynamIQ架构架构的cache

随着时代的发展科技的进步，除了了DynamIQ架构后，整个系统的system memory架构也在悄然无息的发生了变化。刚开始的架构如下所示：L1/L2在core中，L3在DSU中，DSU对外是ACE接口，结合CCI 来维护多cluster之间的缓存一致性。

但是在后来，随着CHI的越来越成熟，又变成了：L1/L2在core中，L3在DSU中，DSU对外是CHI接口，结合CMN来维护多cluster之间的缓存一致性。

但是不管怎么说，在dynamIQ的架构中，L1和L2都在core中的，都是core私有的；L3则是在cluster中的，对cluster中的core是共享的；如有L3或system cache，则是所有cluster共享。dynamIQ的架构的一个cache层级关系图如下所示：

2.4、L1/L2/L3 cache的大小

可以参考ARM文档，其实每一个core的cache大小都是固定的或可配置的。

2.5、cache的组织形式(index, way, set)

cache的组织形式有：

• 全相连
• 直接相连
• 多路组相连（如4路组相连）

在一个core中一个架构中一个SOC中，所有cache的组织形式并不是都一样的。即使L1 D-cache和L1 I-cache的组织形式，也都可能不是一样的的。 具体的组织形式是怎样的，需要查询你的core trm手册。

因为有了多路组相连这个cache，所以也就有了这些术语概念：

• index ： 用白话理解，其实就是在一块cache中，一行一行的编号(事实是没有编号/地址的)
• Set ：用index查询到的cache line可能是多个，这些index值一样的cacheline称之为一个set
• way：用白话来说，将cache分成了多个块（多路），每一块是一个way
• cache TAG ：查询到了一行cache后，cachelne由 TAG + DATA组成
• cache Data ：查询到了一行cache后，cachelne由 TAG + DATA组成
• cache Line 和 entry 是一个概念

2.6、cache的种类(VIVT,PIPT,VIPT)

cache一般是有如下种类；

• PIPT
• VIVT
• VIPT

在一个core中一个架构中一个SOC中，你所使用的cache是哪种类型的，都是固定的，是软件改不了的。在ARM架构中，一般L1 cache都是VIPT的，其余的都是PIPT的。
VIPT和PIPT的原理，基本也都是一样的，只是硬件查询时稍微有一丁点的区别，在后续讲cache查询时会再次介绍。

那么，你还学什么VIVT？你为什么还要去理解VIVT的原理？你为什么还要去分析cache同名、重名的问题？ 这样的问题，在armv7/armv8/armv9架构中都是不存在的

2.7、cache的分配策略(alocation,write-through, write-back)

• 读分配(read allocation)
  当CPU读数据时，发生cache缺失，这种情况下都会分配一个cache line缓存从主存读取的数据。默认情况下，cache都支持读分配。
• 读分配(read allocation)写分配(write allocation)
  当CPU写数据发生cache缺失时，才会考虑写分配策略。当我们不支持写分配的情况下，写指令只会更新主存数据，然后就结束了。当支持写分配的时候，我们首先从主存中加载数据到cache line中（相当于先做个读分配动作），然后会更新cache line中的数据。
• 写直通(write through)
  当CPU执行store指令并在cache命中时，我们更新cache中的数据并且更新主存中的数据。cache和主存的数据始终保持一致。
• 读分配(read allocation)写回(write back)
  当CPU执行store指令并在cache命中时，我们只更新cache中的数据。并且每个cache line中会有一个bit位记录数据是否被修改过，称之为dirty bit（翻翻前面的图片，cache line旁边有一个D就是dirty bit）。我们会将dirty bit置位。主存中的数据只会在cache line被替换或者显示的clean操作时更新。因此，主存中的数据可能是未修改的数据，而修改的数据躺在cache中。cache和主存的数据可能不一致
  

2.8、架构中定义的cache的范围(inner, outer)

对于cacheable属性，inner和outer描述的是cache的定义或分类。比如把L1/L1看做是inner，把L3看做是outer

通常，内部集成的cache属于inner cache，外部总线AMBA上的cache属于outer cache。例如:

• 对于big.LITTLE架构（A53为例)中，L1/L2属于inner cache，如果SOC上挂了L3的话，则其属于outer cache
• 对于DynamIQ架构（A76为例)中，L1/L2/L3属于inner cache，如果SOC上挂了System cache（或其它名称）的话，则其属于outer cache

然后我们可以对每类cache进行单独是属性配置，例如：

• 配置 inner Non-cacheable 、配置 inner Write-Through Cacheable 、配置 inner Write-back Cacheable
• 配置 outer Non-cacheable 、配置 outer Write-Through Cacheable 、配置 outer Write-back Cacheable
  

对于shareable属性，inner和outer描述的是cache的范围。比如inner是指L1/L2范围内的cache，outer是指L1/L2/L3范围内的cache

2.9、架构中内存的类型

在arm架构中，将物理内存分成了device和normal两种类型

而是每种的内存下(device和normal)又分出了多种属性。ARM提供一个MAIR寄存器, 将一个64位的寄存器分成8个attr属性域，每个attr属性域有8个比特，可配置成不同的内存属性。
也就是说，在一个arm core，最多支持8中物理内存类型。

而我们在MMU使用的页表的entry中的属性位中，BIT[4:2]占3个比特，表示index，其实就是指向MAIR寄存器中的attr。

也就说说，页表的每一个entry中，都指向MAIR寄存器中的一个属性域。也就是页表的每一个entry都配置了一种内存类型。

3. cache的查询原理

3.1. cache的查询原理

高速缓存控制器(cache controller )是负责管理高速缓存内存的硬件块，其方式对程序来说在很大程度上是不可见的。它自动将代码或数据从主存写入缓存。它从core接收读取和写入内存请求，并对高速缓存或外部存储器执行必要的操作。

当它收到来自core的请求时，它必须检查是否能在缓存中找到所请求的地址。这称为缓存查找(cache look-up)。它通过将请求的地址位的subset(index)与与缓存中的physical TAG 进行比较来做到这一点。如果存在匹配，称为命中(hit)，并且该行被标记为有效，则使用高速缓存进行读取或写入。

当core从特定地址请求指令或数据，但与缓存标签不匹配或标签无效时，会导致缓存未命中，请求必须传递到内存层次结构的下一层，即 L2缓存或外部存储器。它还可能导致缓存行填充。缓存行填充会导致将一块主内存的内容复制到缓存中。同时，请求的数据或指令被流式传输到core。这个过程软件开发人员不能直接看到。在使用数据之前，core不需要等待 linefill 完成。高速缓存控制器通常首先访问高速缓存行内的关键字。例如，如果您执行的加载指令在缓存中未命中并触发缓存行填充，则内核首先检索缓存行中包含所请求数据的那部分。这些关键数据被提供给core流水线，而缓存硬件和外部总线接口随后在后台读取缓存线的其余部分。

总结一下就是：先使用index去查询cache，然后再比较TAG，比较TAG之后再检查valid标志位。
但是这里要注意：TAG包含了不仅仅是物理地址，还有很多其它的东西，如NS比特位等，这些都是在比较TAG的时候完成。

3.2. cache的查询示例

假设一个4路相连的cache（如cortex-A710），大小64KB, cache line = 64bytes，那么 1 way = 16KB，indexs = 16KB / 64bytes = 256 (注: 0x4000 = 16KB、0x40 = 64 bytes)

0x**4000 -- index 0
0x**4040 -- index 1
0x**4080 -- index 2
......
0x**7fc0 -- index 255

0x**8000 -- index 0
0x**8040 -- index 1
0x**8080 -- index 2
......
0x**bfc0 -- index 255

细心的同学可以发现，这里就有了一个很大的问题，你用于cache look-up的index是vaddr[15:6]， 如果granue size是4KB，那么vaddr[11:0] = paddrr[11:0] ， 但是vaddr[15:12]比特并不等于paddrr[15：12] ，那么你这样的index查询的cache有效吗？会不会发生同名、歧义 ?

其实大可不必担心，因为对于每个core，L1是VIPT的，其实它们的L1 Cache TAG中，已经规定了physical address[39:12]，正好是到BIT12。所以只要TAG比较之后，就不会出现同名和歧义。

4. 多核多cluster多系统之间缓存一致性概述

4.1. 质疑

网上的好多篇博文，一提Cache的多核一致性就必然提到MESI、MOESI ，然后就开始讲MESI、MOESI维护性原理？试问一下，您是真的不理解MES吗？您真的需要学习MESI？你不理解的是架构对吧，而不是学什么鬼协议！

既然您要学了MESI，那么这里也提出几个问题：
(1)、ARM架构中真的使用MESI了吗？ 或者是哪一级使用了，哪一级没有使用？
(2)、MESI是一个协议？ 是谁来维护的？总得有个硬件实现这个协议吧，是在ARM Core中？ CCI-400中？SCU中？DSU中？
(3)、MESI的四种状态，分别记录在哪里的？

4.2. 怎样去维护多核多系统缓存的一致性

有三种机制可以保持一致性：

• 禁用缓存是最简单的机制，但可能会显着降低 CPU 性能。为了获得最高性能，处理器通过管道以高频率运行，并从提供极低延迟的缓存中运行。缓存多次访问的数据可显着提高性能并降低 DRAM 访问和功耗。将数据标记为“非缓存”可能会影响性能和功耗。
• 软件管理的一致性是数据共享问题的传统解决方案。在这里，软件（通常是设备驱动程序）必须清除或刷新缓存中的脏数据，并使旧数据无效，以便与系统中的其他处理器或主设备共享。这需要处理器周期、总线带宽和功率。
• 硬件管理的一致性提供了一种简化软件的替代方案。使用此解决方案，任何标记为“共享”的缓存数据将始终自动更新。该共享域中的所有处理器和总线主控器看到的值完全相同。

燃鹅，我们在ARM架构中，默认使用的却是第三种 硬件管理的一致性, 意思就是：做为一名软件工程师，我们啥也不用管了，有人帮我们干活，虽然如此，但我们还是希望理解下硬件原理。

再讲原理之前，我们先补充一个场景:
假设在某一操作系统中运行了一个线程，该线程不停着操作0x4000_0000地址处内存（所以我们当然期望，它总是命中着），由于系统调度，这一次该线程可能跑在cpu0上，下一次也许就跑在cpu1上了，再下一次也许就是cpu4上了(其实这种行为也叫做CPU migration)

或者举个这样的场景也行：
在Linux Kernel系统中，定义了一个全局性的变量，然后多个内核线程(多个CPU)都会访问该变量.

在以上的场景中，都存在一块内存(如0x4000_0000地址处内存)被不同的ARM CORE来访问，这样就会出现了该数据在main-memory、SCU-0的L2 cache、SCU-1的L2 cache、8个Core的L1 cache不一致的情况。

既然出现了数据在内存和不同的cache中的不一致的情况，那么就需要解决这个问题（也叫维护一致性），那么怎么维护的呢，上面也说了“使用 硬件管理的一致性”，下面就以直接写答案的方式，告诉你硬件是怎样维护一致性的。

4.3. bit.LITTLE架构 和 DynamIQ架构 的系统中的缓存一致性

我们先看一张老的图(bit.LITTLE架构的)吧

• core1、core1的cache的一致性，是由SCU-0来维护的（至于这里是不是遵守了MESI协议，答案:YES）
• cluster0、cluster1的cache的一致性，是由于CCI-400来维护的（至于这里是不是遵守了MESI协议，答案:NO）
  
  再看一张比较新的图(DynamIQ架构的)吧
• core0的cache（含L1/L2）、core1的cache（含L1/L2）的一致性 由DSU-0来维护（至于这里是不是遵守了MESI协议，答案: YES）

• cluster0的 L3 cache、cluster1的 L3 cache、Mali的L2 cache的一致性是由于CCI-550来维护的（至于这里是不是遵守了MESI协议，NO）
  

  4.4. MESI、MOESI 的介绍

  注意着仅仅是一个协议 ，它既不是软件也不是硬件，算上一个标准吧。既然只是一个协议(标准)，那总得有硬件来执行维护该协议吧。一般来讲，在core cache之间的一致性是要遵从MESI/MOESI协议的，由SCU(或DSU)硬件来执行维护该协议的。在ARM架构中，也并非所有的缓存都遵从MESI/MOESI协议，仅仅只是在一个cluster中的core cache中，才需要遵从MESI/MOESI协议。而对于不同的core，又遵从着不同的协议，具体请查略你的core TRM手册，上面会说明你的core cache是使用MESI还是MOESI。 接下来我们就来看一下MESI协议部分。

首先是Modified Exclusive Shared Invalid (MESI) 协议中定义了4个状态:

其次，在ARM的部分的core中，定义了第五种状态Shared Modified，这种称之为MOESI 协议. 而ARM使用的则是MOESI的变体(啥叫变体，咋变的，变的哪些，文当它没有说)

然后我们通过数据流图的方式，观看下MESI这四种状态的情况:

MESI状态之间的切换:

Events:
RH = Read Hit
RMS = Read miss, shared
RME = Read miss, exclusive
WH = Write hit
WM = Write miss
SHR = Snoop hit on read
SHI = Snoop hit on invalidate
LRU = LRU replacement


Bus Transactions:
Push = Write cache line back to memory
Invalidate = Broadcast invalidate
Read = Read cache line from memory

4.5. 总结

• 看完以上信息，我们再次总结一下，我们学习cache一致性，我们最大的困惑或瓶颈是啥，是不理解MESI吗？应该还是对架构的理解和认知。学习MESI，不如去学习cache硬件基础、cache TAG、DSU、CCI-550原理吧。
• 多核之间的缓存一致性，由SCU（DSU）硬件来执行维护，使用MESI协议
• 多cluster之间的缓存一致性，由 CCI/CMN 来执行维护，没有使用MESI协议

5. 多级cache之间的替换策略

思考:
1、L1 cache的替换策略是什么，L2和L3的呢
2、哪些的替换策略是由硬件决定的(定死的，软件不可更改的)，哪些的替换策略是软件可以配置的？
3、在经典的 DynamIQ架构 中，数据是什么时候存在L1 cache，什么时候存进L2 cache，什么时候又存进L3 cache，以及他们的替换策略是怎样的？ 比如什么时候数据只在L1？ 什么时候数据只在L2？ 什么时候数据只在L3？ 还有一些组合，比如什么时候数组同时在L1和L3，而L2没有？ 这一切的规则是怎样定义的？
说明：
本文讨论经典的DynamIQ的cache架构，忽略 big.LITTLE的cache架构

5.1、DynamIQ架构中L1 cache的替换策略(以cortex-A710为例)

我们先看一下DynamIQ架构中的cache中新增的几个概念：

• (1) Strictly inclusive: 所有存在L1 cache中的数据，必然也存在L2 cache中
• (2) Weakly inclusive: 当miss的时候，数据会被同时缓存到L1和L2，但在之后，L2中的数据可能会被替换
• (3) Fully exclusive: 当miss的时候，数据只会缓存到L1

其实inclusive/exclusive属性描述的正是是 L1和L2之间的替换策略，这部分是硬件定死的，软件不可更改的。

我们再去查阅 ARMV9 cortex-A710 trm手册，查看该core的cache类型，得知：

• L1 I-cache和L2之间是 weakly inclusive的
• L1 D-cache和L2之间是 strictly inclusive的

也就是说：

• 当发生D-cache发生miss时，数据缓存到L1 D-cache的时候，也会被缓存到L2 Cache中，当L2 Cache被替换时，L1 D-cache也会跟着被替换
• 当发生I-cache发生miss时，数据缓存到L1 I-cache的时候，也会被缓存到L2 Cache中，当L2 Cache被替换时，L1 I- cache不会被替换

再次总结 ： L1 和 L2之间的cache的替换策略，I-cache和D-cache可以是不同的策略，每一个core都有每一个core的做法，请查阅你使用core的手册。

5.2、core cache的替换策略(以cortex-A710为例)

为了能够将DynamIQ架构和bit.LITTLE架构的cache放在一起介绍，我们将DynamIQ架构中的L1/L2 cache看做成一个单元统称Core cache，bit.LITTLE架构中的L1 Cache也称之为core cache.
DynamIQ架构中DSU中的L3 cache称之为cluster cache，bit.LITTLE架构中SCU中的L2 cache也称之为cluster cache。

5.2.1、L1 data cache 遵从MESI协议

在L1 data cache TAG中，有记录MESI相关比特， 然后将一个core内的cache看做是一个整体，core与core之间的缓存一致性，就由DSU执行MESI协议来维护

5.2.2、L1 instruction cache 没有遵从MESI协议

因为对于Instruction cache来说，都是只读的，cpu不会改写I-cache中的数据，所以也就不需要硬件维护多核之间缓存的不一致

5.2.3、MESI协议的介绍

MESI这四种状态:

MESI状态之间的切换:

Events:
RH = Read Hit
RMS = Read miss, shared
RME = Read miss, exclusive
WH = Write hit
WM = Write miss
SHR = Snoop hit on read
SHI = Snoop hit on invalidate
LRU = LRU replacement


Bus Transactions:
Push = Write cache line back to memory
Invalidate = Broadcast invalidate
Read = Read cache line from memory

5.3、cluster cache 之间的替换策略

说实话，core cache / cluster cache / 这个名字可能不好，感觉叫private cache 和 share cache也会更好，我也不知道官方一般使用哪个，反正我们能理解其意思即可吧。

那么他们之间的替换策略是怎样的呢？

我们知道MMU的页表中的表项中，管理者每一块内存的属性，其实就是cache属性，也就是缓存策略。
其中就有cacheable和shareable、Inner和Outer的概念。如下是针对 DynamIQ 架构做出的总结，注意哦，仅仅是针对 DynamIQ 架构的cache。

• 如果将block的内存属性配置成Non-cacheable，那么数据就不会被缓存到cache，那么所有observer看到的内存是一致的，也就说此时也相当于Outer Shareable。
  其实官方文档，也有这一句的描述：
  在B2.7.2章节 “Data accesses to memory locations are coherent for all observers in the system, and correspondingly are treated as being Outer Shareable”
• 如果将block的内存属性配置成write-through cacheable 或 write-back cacheable，那么数据会被缓存cache中。write-through和write-back是缓存策略。
• 如果将block的内存属性配置成 non-shareable, 那么core0访问该内存时，数据缓存的到Core0的L1 D-cache / L2 cache （将L1/L2看做一个整体，直接说数据会缓存到core0的private cache更好），不会缓存到其它cache中。
• 如果将block的内存属性配置成 inner-shareable, 那么core0访问该内存时，数据只会缓存到core 0的L1 D-cache / L2 cache和 DSU L3 cache，不会缓存到System Cache中(当然如果有system cache的话 ) ， （注意这里MESI协议其作用了）此时core0的cache TAG中的MESI状态是E， 接着如果这个时候core1也去读该数据，那么数据也会被缓存core1的L1 D-cache / L2 cache 和DSU0的L3 cache(白字黑字，绝不瞎说，请参见文末的[1] DSU TRM片段)， 此时core0和core1的MESI状态都是S
• 如果将block的内存属性配置成 outer-shareable, 那么core0访问该内存时，数据会缓存到core 0的L1 D-cache / L2 cache 、cluster0的DSU L3 cache 、 System Cache中， core0的MESI状态为E。如果core1再去读的话，则也会缓存到core1的L1 D-cache / L2 cache，此时core0和core1的MESI都是S。这个时候，如果core7也去读的话，数据还会被缓存到cluster1的DSU L3 cache. 至于DSU0和DSU1之间的一致性，非MESI维护，具体怎么维护的请看DSU手册，本文不展开讨论。

5.4、总结

• dynamIQ 架构中 L1和L2之间的替换策略，是由core的inclusive/exclusive的硬件特性决定的，软无法更改
• core cache之间的替换策略，是由SCU(或DSU)执行的MESI协议中定义的，软件也无法更改。
• cluster cache之间的替换策略，是由于MMU页表中的内存属性定义的(innor/outer/cacheable/shareable)，软件可以修改

5.5 参考

• [1] DSU TRM片段
  

6. A53 cache的架构解读

6.1. A53使用经典的 bit-LITTLE架构

以下是一张比较早期的经典的bit-LITTLE的架构图

6.2. A53的cache配置

L1 I-Cache

• 可配:8KB, 16KB, 32KB, or 64KB
• cacheline:64bytes
• 2路组相连
• 128-bit的读L2 memory的接口
  
  

L1 D-Cache

• 可配:8KB, 16KB, 32KB, or 64KB
• cacheline:64bytes
• 4路组相连
• 256-bit的写L2 memory的接口
• 128-bit的读L2 memory的接口
• 64-bit的读L1到datapath
• 128-bit的写datapath到L1
  
  

L2 memory System

• 集成了SCU( Snoop Control Unit ),做多可以连接4个core
• SCU内重复拷贝了 L1 Data Cache的TAGs
• L2 memory system对外的接口，可以是ACE 或 CHI，128-bit宽度
  
  

L2 cache

• 可配置的: 128KB, 256KB, 512KB, 1MB and 2MB.
• cacheline:64bytes
• Physically indexed and tagged cache（PIPT）
• 16路组相连的结构

L1 data cache TAG
A53的L1 Data cache遵从的是MOESI协议，如下所示在L1 data cache的tag中存有MOESI的标记位

MOESI state

L1 Instruction cache TAG
L1 instruction cache是只读的，所以也就无需硬件维护的多core之间instruction cache的一致性，所以也就无需组从MOESI协议，以下展示了*L1 Instruction cache的TAG，其中标记为很少，无MESI标记位。

6.3. cache的层级结构：

• L1 cache是private的在core中
• L2 cache是share的在cluster中

6.4. L2 memory System系统介绍

在bit.LITTLE架构中中，在Cluster中，有一个SCU单元，SCU单元主要是执行和维护L1 cache的一致性(MESI协议 或 其变体如MOESI协议)。

在L2 Memory System的中，除了包含L2 cache，也会包含L1 Duplicate tag RAM(这里指的其实是L1 Data Cache Tags)。

6.5. 多cluster之间的缓存一致性

cluster和外界的接口，可以是ACE或CHI（目前常用的是ACE，后面的趋势可能是CHI）

• 如果使用的是ACE，那么多cluster之间的一致性，依靠CCI + ACE 来维护
• 如果使用的是CHI，那么多cluster之间的一致性，依靠CMN + CHI来维护

6.6. CCI的介绍(以CCI-550为例)

CCI-550 包含一个包容性监听过滤器(snoop filter)，用于记录存储在ACE 主缓存。

侦听过滤器可以在未命中的情况下响应侦听事务，并侦听适当的主控只有在命中的情况下。Snoop 过滤器条目通过观察来自 ACE 主节点的事务来维护以确定何时必须分配和取消分配条目。

侦听过滤器可以响应多个一致性请求，而无需向所有人广播ACE 接口。例如，如果地址不在任何缓存中，则监听过滤器会以未命中和将请求定向到内存。如果地址在处理器缓存中，则请求被视为命中，并且指向在其缓存中包含该地址的 ACE 端口。

6.7. 经典示例框图

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