啟動信息描述

內核啟動過程中有如下打印信息:

CPU: PIPT / VIPT nonaliasing data cache, VIPT nonaliasing instruction cache

這行打印信息代表了處理器L1 CACHE所支持的尋址方式。

在kernel啟動過程中，雖然這里第一次出現CACHE相關的打印信息，但是，此處并不是kernel第一次操作CACHE。

例如：對于zImage而言，解壓縮過程中會開啟CACHE并配置CACHE 寫屬性。

#ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_WRITETHROUGH
#define CB_BITS 0x08
#else
#define CB_BITS 0x0c
#endif

CPU初始化的匯編文件head.S中，會根據kernel配置來使能CACHE。

#ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_DISABLE
        bic     r0, r0, #CR_C
#endif
#ifdef CONFIG_CPU_BPREDICT_DISABLE
        bic     r0, r0, #CR_Z
#endif
#ifdef CONFIG_CPU_ICACHE_DISABLE
        bic     r0, r0, #CR_I
#endif

代碼分析

以上打印信息源自于 kernel 代碼的setup.c中。

static void __init cacheid_init(void)
{
 unsigned int arch = cpu_architecture();

 if (arch >= CPU_ARCH_ARMv6) {
  unsigned int cachetype = read_cpuid_cachetype();

  if ((arch == CPU_ARCH_ARMv7M) && !(cachetype & 0xf000f)) {
   cacheid = 0;
  } else if ((cachetype & (7 < < 29)) == 4 < < 29) {
   /* ARMv7 register format */
   arch = CPU_ARCH_ARMv7;
   cacheid = CACHEID_VIPT_NONALIASING;
   switch (cachetype & (3 < < 14)) {
   case (1 < < 14):
    cacheid |= CACHEID_ASID_TAGGED;
    break;
   case (3 < < 14):
    cacheid |= CACHEID_PIPT;
    break;
   }
  } else {
   arch = CPU_ARCH_ARMv6;
   if (cachetype & (1 < < 23))
    cacheid = CACHEID_VIPT_ALIASING;
   else
    cacheid = CACHEID_VIPT_NONALIASING;
  }
  if (cpu_has_aliasing_icache(arch))
   cacheid |= CACHEID_VIPT_I_ALIASING;
 } else {
  cacheid = CACHEID_VIVT;
 }

 pr_info("CPU: %s data cache, %s instruction cache\\n",
  cache_is_vivt() ? "VIVT" :
  cache_is_vipt_aliasing() ? "VIPT aliasing" :
  cache_is_vipt_nonaliasing() ? "PIPT / VIPT nonaliasing" : "unknown",
  cache_is_vivt() ? "VIVT" :
  icache_is_vivt_asid_tagged() ? "VIVT ASID tagged" :
  icache_is_vipt_aliasing() ? "VIPT aliasing" :
  icache_is_pipt() ? "PIPT" :
  cache_is_vipt_nonaliasing() ? "VIPT nonaliasing" : "unknown");
}

首先，通過cpu_architecture()獲取處理器內核版本號

int __pure cpu_architecture(void)
{
 BUG_ON(__cpu_architecture == CPU_ARCH_UNKNOWN);

 return __cpu_architecture;
}

處理器內核版本號通過數據結構proc_arch來維護，數據結構成員的值代表的ARM-vXXX

static const char *proc_arch[] = {
 "undefined/unknown",
 "3",
 "4",
 "4T",
 "5",
 "5T",
 "5TE",
 "5TEJ",
 "6TEJ",
 "7",
 "7M",
 "?(12)",
 "?(13)",
 "?(14)",
 "?(15)",
 "?(16)",
 "?(17)",
};

處理器內核版本編號如下，例如__cpu_architecture為4則代表的是ARM-v5內核。

#define CPU_ARCH_UNKNOWN 0
#define CPU_ARCH_ARMv3  1
#define CPU_ARCH_ARMv4  2
#define CPU_ARCH_ARMv4T  3
#define CPU_ARCH_ARMv5  4
#define CPU_ARCH_ARMv5T  5
#define CPU_ARCH_ARMv5TE 6
#define CPU_ARCH_ARMv5TEJ 7
#define CPU_ARCH_ARMv6  8
#define CPU_ARCH_ARMv7  9
#define CPU_ARCH_ARMv7M  10

需要注意的是，這里獲取處理器內核版本號，不是通過讀取MIDR寄存器來實現的。

針對具體的ARM內核版本，獲取CACHE所支持的尋址方式，并據此初始化cacheid。后面以cacheid為依據對CACHE的所支持的尋址方式進行分類。

在ARM處理器內部包含了CACHE類型信息的只讀寄存器，這在芯片設計初期便已經定義好，后期無法修改。在這個寄存器中包含了CACHE的尋址策略。對于ARM v系列的處理器內核而言，獲取CACHE類型的指令代碼如下：

#define read_cpuid(reg)       \\
 ({        \\
  unsigned int __val;     \\
  asm("mrc p15, 0, %0, c0, c0, " __stringify(reg) \\
      : "=r" (__val)     \\
      :       \\
      : "cc");      \\
  __val;       \\
 })

基于讀取CACHE類型寄存器得到信息來初始化cacheid，利用cachetype.h中定義的宏，打印出cache類型。

基于cacheid定義了如下的宏定義：

#define cache_is_vivt()   cacheid_is(CACHEID_VIVT)
#define cache_is_vipt()   cacheid_is(CACHEID_VIPT)
#define cache_is_vipt_nonaliasing() cacheid_is(CACHEID_VIPT_NONALIASING)
#define cache_is_vipt_aliasing() cacheid_is(CACHEID_VIPT_ALIASING)
#define icache_is_vivt_asid_tagged() cacheid_is(CACHEID_ASID_TAGGED)
#define icache_is_vipt_aliasing() cacheid_is(CACHEID_VIPT_I_ALIASING)
#define icache_is_pipt()  cacheid_is(CACHEID_PIPT)
...
static inline unsigned int __attribute__((pure)) cacheid_is(unsigned int mask)
{
 return (__CACHEID_ALWAYS & mask) |
        (~__CACHEID_NEVER & __CACHEID_ARCH_MIN & mask & cacheid);
}

而本文開頭中打印出來的信息，就是基于上面這些宏得出的結果。

從kenrel啟動的日志信息中可以看出，當前CPU內核的CACHE類型如下：

DCACHE

PIPT / VIPT nonaliasing

ICACHE

VIPT nonaliasing

ARM處理器不同內核版本的CACHE類型如下：

通常來說，CACHE得尋址類型包括VIPT、PIPT、VIVT，而本文重點分析得是VIPT以及PIPT的工作原理。

VIPT和PIPT

具備MMU(TLB)、CACHE的ARM處理器，其地址翻譯的流程如下：

那么上圖中紅框內的CACHE部分，根據索引或標簽對應的是物理地址還是虛擬地址，將CACHE的尋址方式分為VIPT CACHE和PIPT CACHE。

VI的含義是使用虛擬地址來構建緩存索引(index)。反之，PI的含義是使用物理地址來構建緩存索引。

緩存索引用于從緩存中提取標記，將它與從物理地址計算的緩存標記比對。如果匹配，則緩存中命中該查找，從緩存中提取相關的數據。否則，將從下一層緩存（或從內存）中提取。

PT的含義是使用物理地址來構建緩存標記(tag)，之所以使用PT作為CACHE查找索引是為了解決VIVT中存在的索引沖突，即兩個進程可以為不同的物理地址使用相同的虛擬地址。

VIPT

VIPT CACHE使用物理地址作為Tag，邏輯地址作為Index。通過Index查詢CACHE獲取到物理地址中的tag部分。同時呢，利用邏輯地址去查TLB，在TLB中獲取到物理地址。然后將CACHE中查詢到的物理地址Tag部分，同TLB中獲取到的物理地址Tag部分作比較。若二者相同，則CACHE hit，否則CACHE miss。

aliasing

對于VIPT CACHE而言，下面代碼中的virtual_addr_A和virtual_addr_B雖然不同，但是它們指向了同一個物理地址PA。

mmap(virtual_addr_A,4096,prot,flags,file_descriptor,offset)
mmap(virtual_addr_B,4096,prot,flags,file_descriptor,offset)

VIPT使用虛擬地址作為CACHE Index，因此物理地址A的數據在CACHE中有兩份，分別由virtual_addr_A和virtual_addr_B進行管理。這樣的情形稱之為CACHE 別名。

可以通過下面的4種方法來避免別名問題帶來的影響：

1.當進行內存數據更新時進行cache invalid操作

多副本數據同步更新

以上兩種方法需要進程通過虛實地址轉換等操作，獲取到是否有副本數據存在這樣的信息。而VIPT的設計初衷是避免虛實地址轉換，因此，這兩種方法并不是非常可取。

縮小CACHE size

假設對于一個32bit位寬的虛擬地址而言，他的page offset為12bit。若CACHE size小于4K則不會產生別名問題，假設CACHE size大于4K，則會產生別名問題。但是CACHE過小，cache miss又會大幅增加。

page color或者cache cloring

若以上3種方法都沒有解決CACHE別名問題，那么可以使用緩存著色的方法。

PIPT

PIPT中的tag和index均為物理地址。而CPU發出的邏輯地址也稱之為虛擬地址，因此，首先需要通過TLB或查詢內存中的頁表，將邏輯地址轉換為對應的物理地址。再進行CACHE緩存查找。索引和標簽都使用物理地址。雖然這很簡單，避免了重名問題，但速度也很慢，因為必須先查找物理地址(這可能涉及TLB丟失和訪問主內存)，才能在緩存中查找該地址。