I-Cache 和 D-Cache

定义

ICache和DCache是一种内存，虽然目前接触了好几种内存，寄存器，DDR等，它们在物理上的工作原理虽然不同，但是访问属性却很像。

1. 在速度上

CPU > 寄存器 > Cache > SRAM　＞ＰＳＲＡＭ

2. 在容量上

CPU < 寄存器 < Cache < DDR

CPU和主存之间也存在多级高速缓存，一般分为3级，分别是L1, L2和L3。另外，我们的代码都是由2部分组成：指令和数据。L1 Cache比较特殊，每个CPU会有2个L1 Cache。分别为:

指令高速缓存(Instruction Cache，简称iCache)

数据高速缓存(Data Cache，简称dCache)

L2和L3一般不区分指令和数据，可以同时缓存指令和数据。

下图举例一个只有L1 Cache的系统。我们可以看到每个CPU都有自己私有的L1 iCache和L1 dCache。

3. 为什么要区分指令和数据?

iCache的作用是缓存指令，dCache是缓存数据。为什么我们需要区分数据和指令呢？原因之一是出于性能的考量。CPU在执行程序时，可以同时获取指令和数据，做到硬件上的并行，提升性能。另外，指令和数据有很大的不同。例如，指令一般不会被修改，所以iCache在硬件设计上是可以是只读的，这在一定程度上降低硬件设计的成本。所以硬件设计上，系统中一般存在L1 dCache和L1 iCache，L2

Cache和L3 Cache。

4. iCache歧义和别名

只要是Cache，就不能不提歧义和别名的问题。歧义问题一直是软件最难维护的，所以现在的硬件设计一般都采用物理地址作为tag。这就避免了歧义问题。别名问题是否存在呢？我们知道VIPT的cache是可能存在别名的情况。但是针对iCache的特殊情况(readonly)，又会产生什么特殊的结果呢？其实我们之所以需要考虑别名问题，就是因为需要我们维护别名之间的一致性。因为可能在不同的cacheline看到不同的结果。那么iCache会存在别名，但是不是问题。因为iCache是只读的，所以即使两个cacheline缓存一个物理地址上的指令，也不存在问题。因为他的值永远是一致的，没有修改的机会。既然选用VIPT iCache即不存在歧义问题，别名也不是问题。那么我们是不是就不用操心了呢？并不是，我们最后需要考虑的问题是iCache和dCache之间的一致性问题。

5. iCache和dCache一致性

我们的程序在执行的时候，指令一般是不会修改的。这就不会存在任何一致性问题。但是，总有些特殊情况。例如某些self-modifying code，这些代码在执行的时候会修改自己的指令。例如gcc调试打断点的时候就需要修改指令。当我们修改指令的步骤如下：

1.将需要修改的指令数据加载到dCache中。

2.修改成新指令，写回dCache。

我们现在面临2个问题：

1.如果旧指令已经缓存在iCache中。那么对于程序执行来说依然会命中iCache。这不是我们想要的结果。

2.如果旧指令没有缓存iCache，那么指令会从主存中缓存到iCache中。如果dCache使用的是写回策略，那么新指令依然缓存在dCache中。这种情况也不是我们想要的。

解决一致性问题既可以采用硬件方案也可以采用软件方案。

6. 硬件维护一致性

硬件上可以让iCache和dCache之间通信，每一次修改dCache数据的时候，硬件负责查找iCache是否命中，如果命中，也更新iCache。当加载指令的时候，先查找iCache，如果iCache没有命中，再去查找dCache是否命中，如果dCache没有命中，从主存中读取。这确实解决了问题，软件基本不用维护两者一致性。但是self-modifying code是少数，为了解决少数的情况，却给硬件带来了很大的负担，得不偿失。因此，大多数情况下由软件维护一致性。

7. 软件维护一致性

当操作系统发现修改的数据可能是代码时，可以采取下面的步骤维护一致性。

1.将需要修改的指令数据加载到dCache中。

2.修改成新指令，写回dCache。

3.clean dCache中修改的指令对应的cacheline，保证dCache中新指令写回主存。

4.invalid iCache中修改的指令对应的cacheline，保证从主存中读取新指令。

操作系统如何知道修改的数据可能是指令呢？程序经过编译后，指令应该存储在代码段，而代码段所在的页在操作系统中具有可执行权限的。不可信执行的数据一般只有读写权限。因此，我们可以根据这个信息知道可能修改了指令，进而采取以上措施保证一致性。