第六节：CPU读缓存，写缓存在不同级别的存储器的规律

本文涉及到的一些术语请参考DSP系列的其他小节。

C64+ DSP的缓存控制器分为 L1P Controler，L1D Controler，L2 Controler，External

Memory Controler（EMC）。L1P 控制器有具备一个寄存器接口，允许用户配置部分或者全部的L1P

RAM 作为一般的RAM 或者作为缓存，同样：L1D 控制器也具有一个寄存器接口，允许用户去配置部分L1D RAM 作为数

据RAM 或者作为缓存，可以配置缓存大小为0K,4K,8K,16K,32K。L2也是一样，因此在L1P,L1D，L2中都有两个区域，

一个是区域0，另一个是区域1.区域0一般作为存储器使用，区域1则作为缓存。知道了这一点，则有利于理解第四节中的存储器体系的关系。

L1P:L1P的特点是，Direct-Mapped Caches和 Read Allocate，即直接映射和读分配。cpu访问时间：1周期。

直接影射型意味着地址和cache之间有显式的对应关系，而读分配则意味着，只有read miss时才会从下一级存储器读取数据来更新缓存。

请看下图：



图1:L1P缓存结构图



图2：L1P 缓存控制器

因为C64+DSP的32位处理器，所以有了图2中的32位的缓存控制器。

图1和图2的对应关系是：

tag ram------tag，表示一个地址的唯一标识。因为不会出现两个相同的18位tag

line frames----set,表示缓存中的某一行。

data,32byte-----offset。表示真正存储数据的偏移位置。

V标志为是缓存结构中的标志信息。表示此缓存是否有效。

图中排（set）段（bits 13-5）标志着此地址会被映射到哪个set（在直接型

缓存中，set 等价于line frame），对于地址0020h，set 段为1.缓存控制器会接着

去检查tag 段18位（bits 31-14）和valid 位。这里我们假设 valid 位是0，控制器就

会注册为miss，也就是说，所请求的地址不在缓存中

大家可以计算一下，理论上，32位地址可以全部在缓存结构中得到映射。

下面讨论L1D：

L1D的特点是：2-way set-associative，Read Allocate, Write-back，Passed through 4 × 64-bit write

buffer. Only stalls when full

意思是：L1D属于典型的两路组set 关联型的缓存，读分配缓存，

回写型缓存：

a:write miss时通过4X64bits的write buffer通道批量向下一级存储器写数据

，当这个write buffer满时，则stall一个周期。

b:write hit时则暂时放在L1D，等合适的时候再写到下级存储器。

L1D存储器结构请看下图：



图3：L1D存储器结构

其实L1D缓存结构与L1P的最大不同是采用了两路结构。并且多了一个D标志位和LRU标志位。

D标志位即dirty，表示此行是否包括最新的数据。

LRU则表示最近最少使用。即最有可能被新缓存占用的。所以这个是决定两路缓存应该使用哪一个的标志。

因此当其中一路有任何状态改变，则就会标记为最近最常使用的。那么下次缓存冲突时便会优先选择另一路。

下面讲述L2

L2的特点是：4-way set-associative，Read and write allocate Write-back

L2属于全能的，即有四路组并联，保证了缓冲容量，也在一定程度上保证了缓存命中率。

可以读分配，并且支持命中回写。可以写分配，支持命中回写。

一种典型的工作场景是：

1，对于程序段而言。当cpu运行时，若需要访问某个指令，则将地址数据拆分，按照规则先从L1P中寻找，假如

找到了，则直接命中返回，只需要一个周期。假如没有找到，则到L2 cache中去找，若L2 cache 找到，则将此

指令更新到L1P的对应位置，则返回给CPU.若L2 cache依然没有找到，则从DDR2去找，找到后，更新L2

cache（注意，更新L2 cache之前，若L2 cache对应位置Line，已经标记为dirty，则要先把此line回写到

DDR2，这就是维持缓存一致性，不过代码段通常不会有这种情况，因为代码段一般是只读的 ），然后更

新L1P cache，然后返回给CPU。

2.对于数据段而言。要分读和写两种情况。

读的情况和代码段基本一致。不同的是。

若L1D中没有数据命中，当L2读命中后，则需要更新L1D，此时需要先判定L1D的对应数据是否需要回

写（即是否标记为dirty)。需要回写则先写到下级存储器L2，若写命中，则暂时放在L2，因为L2也是回写型

的。若L2写失败，则L2会从DDR2中读取一行对于地址的数据，此数据与L1D要回写过来的数据合并更新

后，缓存在L2中（注意缓存之前，肯定也会检查L2此位置是否含有标记为dirty的数据，若有，则先把次数

据写到DDR2中）。

CPU写的情况是这样，若cpu需要向写数据，肯定会先写到L1D，因为L1D是属于读分配，写不分配的，所

以如果写命中了，则会直接更新L1D。因为L1D的回写型的，因此动作到此为止。若L1D写失败，因为写不

分配，所以会从L1D旁边的write bufer通道写到L2。若恰好L2写命中，因为L2是回写型的，所以动作也到此

为止，若L2写失败，则L2会从DDR2中读取一行对于地址的数据，此数据与L1D要回写过来的数据合并更新

后，缓存在L2中（注意缓存之前，肯定也会检查L2此位置是否含有标记为dirty的数据，若有，则先把次数

据写到DDR2中）。