先楫HPM片上Cache使用指南經驗分享

概 述

高速緩存（Cache）主要是為了解決CPU運算速度與內存（Memory）讀寫速度不匹配的矛盾而存在， 是CPU與存儲設備之間的臨時存貯器，容量小，但是交換速度比內存快。內置高速緩存通常對CPU的性能提升具有較大作用。

CPU要讀取一個數據時，首先從Cache中查找，如果找到就立即讀取并送給CPU處理；如果沒有找到，就用相對慢的速度從內存中讀取并送給CPU處理，同時把這個數據所在的數據塊調入Cache中，可以使得以后對整塊數據的讀取都從Cache中進行，不必再調用內存。

這樣的讀取機制使CPU讀取Cache的命中率非常高（大多數CPU可達90%左右），也就是說CPU下一次要讀取的數據90%都在Cache中，只有大約10%需要從內存讀取。HPM CPU訪問片上的Cache內數據是零等待的，這大大節省了CPU直接讀取內存數據的時間，使CPU讀取數據時基本無需等待?？偟膩碚f，CPU讀取數據的順序是先Cache后存儲設備。

一、Cacheable Memory 相關概念

在訪問HPM片上ILM與DLM（Local Memory）時，芯片物理結構決定了CPU不會使用Cache去緩存Local Memory的數據。訪問其它存儲設備如flash、sram、sdram等，則Cache可以發揮其緩存機制來加快訪問速度。在Cache生效的地址空間內，用戶可以設置Memory的物理存儲屬性來設置是否對指定的地址空間使用Cache。

PMA（Physical Memory Attributes）是指一段存儲地址空間的可讀寫、可執行、可緩存等屬性。讀、寫、執行等屬性容易理解，此處不贅述。下面介紹幾個其它屬性及相關的概念。（注意：HPM5300系列不支持PMA設置）

首先介紹一些Cache基本概念。

1. Cache Line/dirty/invalidate

Cache Line：一次最少緩存多少字節的數據是有要求的，通常以Cache Line為單位。HPM6000系列MCU Cache Line為64byte，HPM5300系列MCU Cache Line為32byte。在進行PMA設置時，要求起始地址按Cache Line字節數對齊，大小為Cache Line大小的整數倍。聲明數組時最好也遵循此規則。

Dirty：表示某Cache Line的數據是否與Memory保持一致，如果只將數據寫入Cache而沒有寫入Memory，會將該Cache Line標記為dirty。

Invalidate：將某地址范圍的Cache Line數據失效掉，當Cache Line狀態被Invalidate時，不管讀取是否命中，CPU都會到Memory拿數據。

對Cache的標準操作包括 write-back，invalidate，flush。

Write-back表示把cache內dirty的數據寫入Memory，invalidate表示忽略某地址范圍的Cache line，flush操作則先對某Cache Line 進行write-back操作，再進行invalidate操作。HPM SDK的hpm_l1c_drv.h文件提供了這3種操作的接口函數。

2. Bufferable

Bufferable是指MCU在寫入一片內存區時，是否可使用Write buffer進行加速。例如向sram內寫入64個字節：

1）不使用Bufferable：CPU等待64字節數據寫入完成后再去執行其它指令；

2）使用Bufferable：CPU將64字節數據寫入Write buffer，不等Write buffer內的數據寫入sram，CPU就去執行其它指令；寫入動作則自動進行直至完成。

3. Cacheable

Cacheable與 non-Cacheable，決定了CPU是否啟用緩存特性。如果啟用Cacheable特性，則HPM芯片上的內存區域可以分區指定PMA，可選的屬性選項如下（詳細信息可參考先楫官方文檔HPM6200 UM 2.8章節）：

Write-Back

Write-Back（與Write-Through互斥）是指向存儲設備內寫數據命中時，CPU將數據寫入Cache，并不立馬向存儲設備寫入數據，如下圖所示：數據先寫入到Cache內（①），在Cache內標記該Cache Line為dirty，即表示該Cache Line內容與Memory內容不符；Cache內數據寫入Memory（②），則在Cache Line被替換或手動執行write-back操作或flush操作時（把dirty的數據寫入Memory）才執行。

未命中時，則寫入Memory。是否寫入Cache 由xxx-Allocate決定。

Write-Through

Write-Through（與Write-Back互斥）是指向存儲設備內寫數據時，無論命中與否，CPU都將數據寫入Memory。

命中時，數據同時寫入Cache 與Memory；

未命中時，數據寫入Memory，是否寫入Cache 由xxx-Allocate決定。

xxx-Allocate

xxx-Allocate則用于控制讀/寫未命中Cache時，是否要在Cache內申請Cache Line用于緩存讀/寫的數據。例如：

Read-Allocate代表讀未命中時，CPU不只從Memory將數據讀入，還將數據在Cache放了一份，那么下次再讀的時候就不用去Memory讀了；

Write-Allocate代表寫未命中時，會在Cache內分配Cache Line儲存寫入的數據，那么下次讀的時候就可以從Cache讀了；具體是否寫入Memory取決于使用的是Write-Back還是Write-Through。

Non-Allocate和 Read-and-Write-Allocate就不再進行解釋了。

/* Init noncachable memory */

externuint32_t__noncacheable_start__[];

externuint32_t__noncacheable_end__[];

start_addr = (uint32_t) __noncacheable_start__;

end_addr = (uint32_t) __noncacheable_end__;

length = end_addr - start_addr;

if(length > 0) {

/* Ensure the address and the length are power of 2 aligned */

assert((length & (length - 1U)) == 0U);

assert((start_addr & (length - 1U)) == 0U);

pmp_entry[index].pmp_addr= PMP_NAPOT_ADDR(start_addr, length);

pmp_entry[index].pmp_cfg.val= PMP_CFG(READ_EN, WRITE_EN, EXECUTE_EN, ADDR_MATCH_NAPOT, REG_UNLOCK);

pmp_entry[index].pma_addr= PMA_NAPOT_ADDR(start_addr, length);

pmp_entry[index].pma_cfg.val= PMA_CFG(ADDR_MATCH_NAPOT, MEM_TYPE_MEM_NON_CACHE_BUF, AMO_EN);

index++;

}

pmp_config(&pmp_entry[0], index);

以上代碼設置了__noncacheable_start__至__noncacheable_end__地址范圍內的存儲區域PMA屬性為noncacheable，bufferable。

通過以上解釋，相信開發者可以看懂UM手冊內的相關描述了，以HPM6200系列為例，User Manual v2.0 2.8章節的內容對PMA有詳細描述。

二、HPM L1-Cache相關函數

HPM系列芯片L1-Cache分為 iCache與 dCache，指令緩存與數據緩存。開發者們經常遇到的問題是開啟dCache導致的CPU拿到的數據與Memory內數據不一致（Cache內的數據與Memory不一致時，讀取命中Cache會發生這樣的結果）。因此，此處主要介紹 dCache相關函數。

打開hpm_l1c_drv.h文件即可看到先楫提供的Cache相關的函數，部分如下：

*

* @brief D-cache disable

*/

voidl1c_dc_disable(void);

/*

* @brief D-cache enable

*/

voidl1c_dc_enable(void);

/*

* @brief D-cache invalidate by address

* @param[in] address Start address to be invalidated

* @param[in] size Size of memory to be invalidated

*/

voidl1c_dc_invalidate(uint32_taddress, uint32_tsize);

/*

* @brief D-cache writeback by address

* @param[in] address Start address to be writtenback

* @param[in] size Size of memory to be writtenback

*/

voidl1c_dc_writeback(uint32_taddress, uint32_tsize);

/*

* @brief D-cache invalidate and writeback by address

* @param[in] address Start address to be invalidated and writtenback

* @param[in] size Size of memory to be invalidted and writtenback

*/

voidl1c_dc_flush(uint32_taddress, uint32_tsize);

/*

* @brief D-cache fill and lock by address

* @param[in] address Start address to be filled and locked

* @param[in] size Size of memory to be filled and locked

*/

voidl1c_dc_fill_lock(uint32_taddress, uint32_tsize);

/*

* @brief Invalidate all icache and writeback all dcache

*/

voidl1c_fence_i(void);

/*

* @brief Invalidate all d-cache

*/

voidl1c_dc_invalidate_all(void);

/*

* @brief Writeback all d-cache

*/

voidl1c_dc_writeback_all(void);

/*

* @brief Flush all d-cache

*/

voidl1c_dc_flush_all(void);

l1c_dc_disable：關閉dCache。此函數特別有用，在debug時如果懷疑是Cache導致的問題，在main函數開始關閉dCache再次運行即可排查是否是Cache導致的問題。注意，如果是用戶程序運行過程中關閉dCache，需要在關閉前將執行l1c_dc_writeback_all，保證Cache數據寫入Memory。

l1c_dc_enable：開啟dCache。

l1c_dc_invalidate：將某地址范圍內的Cache Line失效掉。無論某地址在Cache內是否命中，CPU會從Memory內拿數據。

l1c_dc_writeback：將Cache內數據寫入某Memory地址。如果該地址在Cache內，則將該Cache Line寫入Memory，并清除dirty標志。

l1c_dc_flush：該函數等于 l1c_dc_writeback + l1c_dc_invalidate，把數據寫入到Memory并標記為invalidate，表示下次從Memory拿數據時不走Cache。

l1c_fence_i：將dCache內的數據全部writeback，將iCache內所有Cache Line invalidate。一般關閉Cache前會手動調用此函數。

l1c_dc_invalidate_all、l1c_dc_writeback_all、l1c_dc_flush_all：代表操作整個Cache中的Cache Line，具體含義不再贅述。

三、經驗分享

l1c_dc_writeback：一般非CPU的總線host，如DMA訪問某Memory地址前，通過l1c_dc_writeback將Cache內的數據寫到Memory，保證DMA拿到的數據與CPU看到的數據是一致的。

例如I2C_DMA例程：

/* setup i2c dma tx */

#ifPLACE_BUFF_AT_CACHEABLE

if(l1c_dc_is_enabled()) {

/* cache writeback before DMA sent data */

l1c_dc_writeback((uint32_t)tx_buff, TEST_TRANSFER_DATA_IN_BYTE);

}

#endif

stat= i2c_tx_trigger_dma(TEST_I2C_DMA,

TEST_I2C_DMA_CH,

TEST_I2C,

core_local_mem_to_sys_address(BOARD_RUNNING_CORE, (uint32_t)tx_buff),

TEST_TRANSFER_DATA_IN_BYTE);

if(stat!= status_success) {

printf("i2c tx trigger dma failed ");

while(1) {

}

}

在DMA將tx_buff數據搬到I2C的發送寄存器之前，進行了writeback。

l1c_dc_invalidate：一般CPU在讀取Memory數據時，如果該數據被其它總線host如DMA操作過（一般是DMA搬了某些數據過去），為了能讀到Memory中的數據而不是Cache中的數據，要在讀取之前對Cache Line進行invalidate處理（多數開發者遇到的都是這個問題）。

例如I2C_DMA例程：

/* setup i2c dma rx */

stat= i2c_rx_trigger_dma(TEST_I2C_DMA,

TEST_I2C_DMA_CH,

TEST_I2C,

core_local_mem_to_sys_address(BOARD_RUNNING_CORE, (uint32_t)rx_buff),

TEST_TRANSFER_DATA_IN_BYTE);

i2c_master_start_dma_read(TEST_I2C, TEST_I2C_SLAVE_ADDRESS, TEST_TRANSFER_DATA_IN_BYTE);

i2c_handle_dma_transfer_complete(TEST_I2C);

#ifPLACE_BUFF_AT_CACHEABLE

if(l1c_dc_is_enabled()) {

/* cache invalidate after DMA receive data */

l1c_dc_invalidate((uint32_t)rx_buff, TEST_TRANSFER_DATA_IN_BYTE);

}

#endif

check_transfer_data();

在進行check_transfer_data之前，先對數據進行了l1c_dc_invalidate處理。

l1c_fence_i：一般在CPU關閉Cache之前，或程序跳轉之前（一般二級boot選擇好要執行的固件進行跳轉），為了保證所有dirty的Cache Line寫入到Memory中，會進行l1c_dc_writeback_all，然后等 l1c_dc_writeback_all執行完畢后再跳轉。

例如tinyuf2例程：

voiduf2_board_app_jump(void)

{

fencei();

l1c_dc_disable();

l1c_ic_disable();

__asm("la a0, %0"::"i"(BOARD_FLASH_APP_START+ 4));

__asm("jr a0");

}

uf2_board_app_jump函數在跳轉前，執行了fencei，本質上就是l1c_fence_i。

另外，在執行writeback操作期間中斷不可用，對實時性要求高的場景應進行合理規劃l1c_dc_writeback_all的使用。

四、文末小結

Cache能大幅提高程序運行性能，但用不好Cache也會給開發者帶來各種“奇奇怪怪”的問題現象。在閱讀本文后，希望開發者對先楫的 L1-Cache有更深入的理解，使用先楫半導體高性能 MCU系列產品開發項目時，能更加得心應手。

審核編輯：劉清