請問ARMv8如何讀取cache line中的MOESI信息呢？

本文以Cortex-A53處理器為例，通過訪問 處理器中的 內部存儲單元 （tag RAM和dirty RAM），來讀取cache line 中的MOESI信息。

Cortex-A53提供了一種通過讀取一些系統寄存器，來訪問Cache 和 TLB使用的一些內部存儲單元的機制。這個功能可以探查出當緩存中的數據與主存中的數據不一致時存在的問題。

此外，A64模式和A32模式的讀取方式不同：

當處理器處于A64模式時，先通過一些只寫（write-only）寄存器來選擇具體的cache line和內存地址，然后通過只讀寄存器來讀取具體的tag信息。下圖為相關寄存器以及相關操作指令，需要注意的是，這些操作只在EL3時可用，如果在其他模式下使用這些指令，將會進入Undefined Instruction 異常。

當處理器處于A32模式下時，先通過一些只寫（write-only）CP15寄存器來選擇具體的cache line和內存地址，然后通過只讀CP15寄存器來讀取具體的tag信息。下圖為相關寄存器以及相關操作指令，需要注意的是，這些操作只在EL3時可用，如果在其他模式下使用這些CP15指令，將會進入Undefined Instruction 異常。

接下來，本文以Cortex-A53的Data cache為例，讀取其某個cache line的tag信息，其具體的步驟很簡單，分為兩步：

• 寫入Data Cache Tag Read Operation Register，寫入的內容為具體的Set和way信息，通過way index和set index來定位到想要讀取的cache line。
• 讀取相應的 Data Register 0 和 Data Register 1寄存器，通過對Data Register寄存器里面的數據進行解碼，來獲取tag 信息。其他信息，比如Data cache 的data信息，Instruction Cache的data或者tag信息，以及TLB的data信息，都可以用這種方式讀取得到。

Step1：將Set/way信息寫入Data Cache Tag Read Operation Register

首先，我們需要從一個虛擬地址（VA）中解析出Set index信息。

下圖為Cortex-A57的4-way組相連的32KB大小的data cache結構，其cache line大小也為64 bytes，從圖中可知，一個VA可以被分成幾個部分：Tag，Set index，word index以及byte index。其中Set index = VA[13:6]。

在另一個實例中，32KB大小的4-way組相連data cache，cache line大小為32 bytes，其Set index = VA[12:5]：

Cortex-A53的Data cache為4-way 組相連結構。假設其為32KB，一個cache line的大小為64 bytes，我們就可以求出該data cache中有 32 KB / 64 B / 4 = 2^7 = 128個set（組），也就是說至少需要7個bit才能完整解析出具體的set index。如下圖所示，可以通過公式：

S = log2(Data cache size / 4).

來計算出Set index的范圍：Set index = VA[12:6]。

由于是4-way 組相連結構，cache line 可以存在與任意一個way中，所以我們的cache way可能為0，1,2，3中任意一個數字。

求得了set和way的index后，需要對其進行編碼，然后寫入到Data Cache Tag Read Operation Register寄存器中。其編碼規則如下圖所示，只需將Set和way的值寫入對應的bit中即可，其中Rd[5:3]為cahche double word數據的偏移量，由于本次示例是讀取tag信息，所以Rd[5:3]為0即可。

所以我們要寫入Data Cache Tag Read Operation Register的Rd的值可以通過以下代碼獲?。?/p>

unsigned int get_Rd_data(int * VA, way_num)
{
  unsigned int set_way_index = VA | 0x1FC0; //get way index, VA[12:6]
  set_way_index |= way_num < 30; //way_num could be 0,1,2,3 
  return set_way_index;
}

Rd中除了Set和way信息，其他值均為0，0x1FC0為VA[12:6]全為1的情況：

然后我們使用CP15寄存器將Rd的值寫入，假設Rd為R0：

MCR p15, 3, r0, c15, c2, 0   ; r0 = get_Rd_data(VA,way_num)

Step2：讀取Data Register 1和Data Register 0數據并解碼

將Set/way信息寫入Data Cache Tag Read Operation Register 后，相當于選擇了想要操作的cache line，接下來我們將讀取Data Register 1和Data Register 0的數據來獲取該cache line里的tag信息，除了tag信息外，我們還可以從Data Register 1和Data Register 0兩個寄存器中獲?。?/p>

• MOESI 狀態信息
• outer內存屬性
• valid 信息

可獲得的信息具體見下圖：

需要注意的是，如果是想獲取MOESI狀態信息，則需要兩個寄存器配合使用，即讀取Data Register 0 [1:0]以及Data Register 1 [30:29] ，Data Register 0 [1:0]里的為來自Dirty RAM的部分狀態信息，Data Register 1 [30:29]里的為來自tag RAM的部分MOESI信息，

其具體的組合見下圖：

比如讀取到的Data Register 0 [1:0]為1，以及Data Register 1 [30:29]也為1，根據上圖的組合關系，可知當前cache line的MOESI狀態為 SharedDirty（O）。

示例代碼如下：

; step 1: write set index and way num into Data Cache Tag Read Operation Register
MCR p15, 3, r0, c15, c2, 0   ; r0 = get_Rd_data(VA,way_num)
; step 2: read Data Register 1 and Data Register 0
MCR p15, 3, r1, c15, c0, 0   ;r1 =  Data Register 0 
MCR p15, 3, r2, c15, c0, 1   ;r2 =  Data Register 1