Cache与MMU的爱恨纠缠

嵌入式电子 2023-05-28 11:01

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首先声明本文不准备详细地介绍Cache和MMU的概念和用法，主要是为了厘清两者之间的相互关系和依赖。

1. MMU管理cache访问属性

在没有MMU的时候，cache本身的模型比较简单，如下所示，在使用的时候重点关注Cache数据的一致性问题。

但是这样用也有个缺点就是：cache只能整体操作，比如为了使用DMA，要关掉所有的DCache，这就是没有内存管理单元的坏处，MMU所提供的第一个作用就是对内存进行分区的权限管理，比如说外设所用的内存、DMA所用的内存区域可以设置为不允许Cache，其他区域设置为开启。这一步就开始导致了MMU与Cache的绑定，因为MMU管理了内存区域是否可以被缓存，如果不开MMU，只打开DCache或者Unified Cache(dcache和icache不分开)，将会在外设访问上出现bug。

其实icache打开也有一定的数据不一致风险，让我们看下一位博主的文章：

例如你的引导程序在地址0x8000有一些代码，它至少要运行一次，然后你选择把它作为引导程序，引导程序可能在比如地址0x10000000允许你在0x8000加载一个新的程序，这个加载使用数据访问，所以它不通过指令缓存。所以有可能指令缓存中有一些或所有你上次在0x8000区域的代码，当你在0x8000处分支到启动加载的代码时，你会得到缓存中的旧程序或旧程序和新程序的讨厌的混合部分，这些部分被缓存和不被缓存。因此，如果你的引导程序允许i-cache开启，你需要在分支到引导的代码之前使cache失效。说到底就是代码已经变了但是没有通过cache，比如我们反复运行0x8000这个地址，但是第一次运行0x8000的时候代码是从nand加载的，第二次是从emmc加载的，只要没有断电，cahce是感知不到你这样玩的。

上面这段话稍微有点绕，我画了一个图来解释下：

简单来说就是在0x8000这个地址处有了新的代码，但是icache中的代码还是旧的，是跟dcache一样的数据一致性错误。

总而言之，上面就是说明一个问题，现在的CPU，由于MMU管理着cache的访问属性，要开cache就必须开MMU！

裸跑不开MMU行不行
行，但效率很低。
现在的CPU，要想使用Cache，必须使能MMU，MMU页表里有cache访问属性配置。
在ARM里，如果不开MMU，不仅不能开启cache，连内存属性都不是normal，而是device，device属性不允许硬件对AXI总线的信号进行合并、乱序等，效率较低。

参考：MMU开关与CACHE开关的联系——https://blog.csdn.net/u011011827/article/details/125331796
为什么Uboot阶段要关MMU，关DCache、开ICache——https://blog.csdn.net/u013372900/article/details/122454478
A53的mmu配置说明——https://www.cnblogs.com/liuwanpeng/p/14372976.html

2. MMU与Cache配合CPU读写数据

MMU的第二个作用就是将处理器发出的虚拟地址（VA）转换为物理内存中的物理地址（PA），当然这是在跑linux之类的操作系统才有的，跑逻辑代码，VA=PA。
这个时候两者实际上是配合关系，因为两者的功能并不相同，MMU接收虚拟地址并将其转换为物理地址后，这个地址被送到cache或者内存中获取具体的数据。cache中存放的是某些虚拟地址或物理地址对应的实际内容。cache的索引地址可以是虚拟地址可能有点冷门知识，如下图所示，cache的位置可以有两个。

一般来说速度比较快的Level1 cache被用作虚拟寻址cache，如下图。