ARM各种Memory类型理解

在看ARM的各个文档时，经常出现很多memory属性相关的词汇，比如Device、Cacheable、Shareable之类，基于这段时间的学习理解和项目实践，把个人的一些理解记录下，仅供参考，有不当之处还望大家指正。
我们以CHI issueC P110 表2-12为例，介绍Device、Allocate、Cacheable、EWA(Bufferable)、Order以及SnpAttr如何影响ARM的memory类型。

1. MemAttr、Order和SnpAttr等属性分析

从MemAttr那一列的右边分析：
EWA
EWA和Bufferable是一个意思的，EWA指示的是一笔写请求的完成响应是否可以从中间节点返回。EWA=1，允许从中间节点返回；EWA=0，只能从写请求要到达的最终节点返回。
Cacheable
Cacheable指示一笔请求是否需要执行cache lookup，即查找cache内容。Cacheable=1，先进行cache查找，如果没有找到再去访问最终节点；Cacheable=0，必须访问最终节点。通常EWA=0的话，Cacheable肯定等于0，即不能提前返回响应的，那肯定也不能只查询cache就了事的。
Allocate
Allocate是是否需要cache分配的提示信号，也只是指示作用，具体要不要分配看情况。Allocate=1，为了性能考虑，推荐将数据分配到cache中；Allocate=0，为了性能考虑，推荐不要将数据分配到cache中。通常Cacheable=0的话，那Allocate肯定等于0的，因为不进行查找cache的话，也就没有必要分配cache给数据的。
Device
Device指示memory类型是Device，还是Normal，是决定访问memory类型的关键信号。Device=1，为Device memory type，该memory类型是由连带效应(side-effectts)的，即对一个地址的数据的操作可能会影响到另一个地址中的数据值。那些地址区间没有连带效应的也允许使用Device memory type，也就是说对一个地址的操作不影响到另一个地址的数据也可以用做Device空间，Device空间要求比较苛刻点，Device空间的数据是不允许被cache缓存，否则会导致系统功能紊乱，因此Cacheable和Allocate都为0，也就没有必要支持Snoop(SnpAttr必须等于0)；Device=0，为Normal memory type，该memory类型是不具有连带效应的，即地址之间的操作互不干扰，Normal空间的数据可以被cache缓存，因此也支持Snoop(SnpAttr可以等于0，也可以等于1)。
其它列：
Order
Order用于多笔访问操作之间的保序需求，Device和Normal地址空间都有保序需求，Order=0，不需要保序；Order!=0，需要保序。
SnpAttr
表示该笔操作是否需要snoop；SnpAttr=1，需要snoop；SnpAttr=0，不需要snoop。操作是否需要snoop跟本身的操作类型也有关系的。

2. ARM Memory Type分析

现在我们来看下上表中ARM Memory Type那一栏，以Memory类型讨论，分为Device type memory和Normal type memory。

2.1 Device Type Memory

Device memory也就是Device=1的地址区间。
Reordering, R and nR： The Reordering and non-Reordering attributes；
Early Write Acknowledgement, E and nE：The Early Write Acknowledgement and no Early Write Acknowl-edgement attributes；
其实还有G和nG属性(Gathering and non-Gathering attributes，即多笔命令能否合并成一条命令)，不过在CHI文档里没有体现，这里就暂时不说了，以上组合起来可以得到如下各种Device属性。

1、Device nRnE：
顾名思义就是这种地址需要保序，且不能支持EWA，即从中间节点返回写响应。
2、Device nRE：
这种地址需要保序，但可以支持EWA，即从POS或POC点返回写响应就可以的。
3、Device RE：
这种地址不需要保序，支持EWA。

加上nG和G属性，上述各种可以组成如下各种Device类型及保序强度。

2.2 Normal Type Memory

Normal memory也就是Device=0的地址区间。Normal memory可以区分如下：
1、Non-cacheable Non-bufferable：
Non-cacheable Non-bufferable其实是AXI的memory类型，不是ARM的memory类型。该类型可以看出是不能cache缓存和allocate数据的，并且写响应要从最终节点返回。

2、Non-cacheable Bufferable：
该种类型是不能被cache缓存和allocate数据的，但写响应可以从中间节点(如POC或POS)返回的。

3、Non-snoopable WriteBack No-allocate：
这种类型不是Snoopable属性，但支持cache缓存数据的，不支持allocate，在写数据发生cache miss下，直接将数据写到下游去，不需要allocate到本级cache。

4、Non-snoopable WriteBack Allocate：
这种类型不是Snoopable属性，但支持cache缓存数据的，且也允许allocate数据，在写数据发生cache miss下，需要将下游数据读到本级cache中，然后再往cache中写入该数据。

5、Snoopable WriteBack No-allocate：
这种类型和第三种一样，只不过多了支持Snoopable。

6、Snoopable WriteBack Allocate：
这种类型和第四种一样，只不过多了支持Snoopable。

3. 其它属性分析

我们一定还经常看到Shareability属性，这个属性和其它memory的属性有什么关系呢？表1为ACE协议中的Shareability domains和其它属性的关系。
在ACE协议中有四种级别的Shareability domain，如下：

• Non-shareable：该domain只包含一个master；
• Inner Shareable：该domain包含了几个master；
• Outer Shareable：该domain包含了Inner domain和其它master；
• System：该domain包含了系统中的所有domain；
  其实在ARMv8中只定义了三种Shareability domain，没有System domain，但这也不影响。

表1 AxCACHE and AxDOMAIN signal combinations

由表1可以看出Device memory总是认为是Shareable的，Device memory只用于System domain，因为Device memory不会被任何cache缓存，所有没必要分配其它domain的。
对于Normal Non-cacheable memory通常也只属于System domain，因为大家都不缓存，也没有必要分配给其它domain的。有些情况例外，需要分配domain的，例如memory地址的数据会被缓存在domain级别的位置，而不是放在下游的Systemcache，那就需要去监听它们。
对于Normal Cacheable memory有WriteBack和Writethrough两种属性，支持三种Shareability domains(不支持System domain)，因为该类型的memory会cache数据，所以需要去snoop其它master的。
仔细想想，其实Shareablility只和memory类型和Cacheable属性有关的，与EWA、Allocate、SnpAttr等不相关的。当然Snoopable的请求肯定是属于Inner Shareable domain或Outer Shareable domain的。Non-snoopable请求的话，如果是Device memory type，那么就是System Domain；如果是Normal memory type且是Non-cacheable属性的话，那可能会是四个中的任何一个；如果是Normal memory type且是Cacheable属性的话，那应该是Non-shareable domain的。

4. 参考文献

1、《IHI0050C_amba_5_chi_architecture_spec-3》
2、《DDI0553B_j_armv8m_arm》
3、《AMBA® AXI™ and ACE™ Protocol》