原创 【博客大赛】cache，你给我听话点

 

图一

 

不过这次访问的主存地址不在程序指令区，而是数据区域。在编译的map文件里，0x20FE8对应的是一个全局变量guiTime。

 

图二

 

guiTime此变量确实有在关键函数里频繁使用到，但是数据cache总共有2KB的空间，而程序所有的全局变量不到1KB。理论上说，运行时，这些全局变量都应该存在数据cache里，不应该去频繁访问主存呀。

 

再看一看程序，guiTime被定义为volatile类型。

 

volatile  uint32  guiTime

 

“为了提高存取速度，编译器会将一些变量存放到一个寄存器内，下次使用的时候直接从寄存器里读取，当原变量被外界(中断，其他线程)改变后，寄存器里的值是不会变的，这样程序里用的寄存器值和实际的变量值就不一致了，错误随之而来。将变量定义成volatile类型，就是为了避免这种错误，每次使用数据都从原始地址读取，而不是寄存器。”

 

上述是对volatile类型一种被广泛认可的解读，注意红色的标注“原始地址”，这是否意味着定义成volatile类型的变量，使用时，都会无视cache，而去访问主存？抱着强烈的好奇心，做了一个小测试，去掉了针对guiTime的volatile定义，测试关键程序的运行时间———还是30s，从逻辑分析仪上仍能看到CPU的频繁访问0x20FE8地址开始的主存。

 

看来不是volatile的问题，至于"每次都要从原始地址读取"里的原始地址到底是哪里，先搁一搁，解决问题要紧。

 

 

回头看一看图二，CPU在读完0x20FE8开始的8个32位数据后，立刻又向0x3FFE8开始的地址写入了8个32位数据，而在map文件里，0x3FFE8指向的是程序的stack栈区域，光凭这些暂时还找不到问题的根结。

 

在逻辑分析仪的数据包里，又发现了下面一段波形，图三里，CPU干了两件事，从0x3FFE8地址开始读取8个数据，然后向0x20FE8地址写入8个数据，刚好和图二里干的事情相反。CPU没事在0x20FE8和0x3FFE8两个地址之间导来导去是在干嘛呢？ 而且两个地址的末尾都是FE8，一个假象在脑子了蹦了出来-------难道是两个地址在cache里发生冲突了？(10分钟内，不能从"两个地址末尾都是FE8"这条线索联想到cache冲突的同学，请先面壁好好反省cache原理，想不起来的请先阅读前文“为什么程序越优化越慢”)

 

图三

 

根据直接映射cache的散列函数：cache_addr = ram_addr  mod  cache_size，0x3FFE8和0x20FE8在2KB的cache里的散列地址都是0x7E8，两个地址上存放的数据肯定会冲突，导致频繁的读取主存，这也解释了为什么很长一段时间没有出现关键函数运行迟缓的现象，因为之前的guiTime的存储地址不在0x20FE8上，没有和栈区数据发生冲突，直到我修改一段代码后，guiTime凑巧被编译器分布在了0x20FE8，结果冲突就发生了。那为什么guiTime变量会和看似毫无关联的栈区数据冲突呢？

回想了下堆栈的作用，恍然大悟。函数调用时，返回地址等一些现场信息都会存入栈中，调用结束后，出栈取出返回地址，PC指针跳转到返回地址继续运行。如果函数被频繁调用，为了减少存取消耗，栈区地址会被直接映射到cache的对应空间，这样函数在调用时，现场信息的存取都将直接在cache里操作，而不再是主存的栈区。但是，如果一个函数的现场信息和要使用到的全局变量，在cache里的映射地址完全相同，悲剧就发生了。

 

假设，Key函数在调用时，现场返回信息先存在cache的0x7F8上，当Key函数在执行过程中要用到一个全局变量guiTime，CPU先到guiTime对应的cache地址0x7F8上寻找，发现没有存储这个变量，于是就从主存0x20FE8读入guiTime，并同时准备将其覆盖到cache的0x7F8上，以备日后使用。但是0x7F8之前存储的是非常重要的函数现场信息，如果这些信息缺失，CPU将不知程序去向——直接跑飞，所以在覆盖之前，CPU会将cache里的现场信息存入主存0x3FFE8开始的真实栈区，到此，已经重现了图二的一幕。函数执行结束后，CPU需要返回地址给以指明一条出路。CPU先到cache的0x7F8上搜寻，寻找无果后，从主存的栈区取回返回地址继续跑路，同时准备将现场信息覆盖到cache的0x7F8上，避免以后重复读取主存，但此时0x7F8上存储的是全局变量guiTime，不能被随意篡改，否则就不能称为"全局变量"了，无奈的解决办法是在覆盖前，将guiTime再写回原始的主存地址，至此，图三的波形也再现了。如果Key函数被频繁调用，图二和图三的波形将频繁交替显现，运行时间就在这交替之间白白的浪费了。

 

解决办法还得从cache的散列函数入手，但是和前文遇到的情况略有不同，栈区的地址一般都从主存的末尾开始，是一个相当大的数值0x3FFFF，和数据所在区域0x20FE8的跨度太大了，远远超过了cache_size的2KB，而且嵌入式系统里也没法提供这么大的cache_size来消除冲突。但是注意，栈区所在区域虽然很大，但是真正使用到的地址是非常有限的，以本文为例，总共使用了0x3FFFF到0x3FFE8的24个地址，对应到cache的映射地址从0x7FF到0x7E8，所以只要数据区域的在cache的映射空间避开这段地址，就可以避免冲突了。前文所述的第二种方法在此就可派上用处了，比如在bsp里，新增一个从0x1000到0x17E7的段.DataCache，然后将程序里的所有的全局变量强制分布到这个段里，这样数据和栈永远也不会冲突了。

 

最后还有一种终极的解决办法就是消除祸根，不用全局变量....

 

再回到文中关于volatile的解读，解决了数据和栈的冲突后，无论在全局变量前是否加volatile的定义，都不会操作主存了。在加入cache的系统后，原始地址的主存已经被映射到了cache上，所以这里“原始地址”的含义其实就是cache了。

 

cache确实是一个不安分的家伙，作风爽快，干事利落，但性格经常会反复无常，很难伺候，对它是又爱又恨，要想用好它，需要好好的持久调教。翻篇后，希望cache能听话点，别再惹事了啊。