ARMv8-A编程指导之Caches（2）

1.2 Cache tags和物理地址

        每个cache line都有一个tag与之相关，该tag记录了与cache line相关的外部内存的物理地址。Cache line的大小是由实现定义的。但是，由于内部互连所有的core需要有相同大小的cache line。

        访问的物理地址用来决定数据在cache中的位置。最低位用于选择cache line中的相关项。中间位作为index用来选在cache组中的特定的line。最高位用于标识地址的其他部分，并用于与该line存储的标识进行比较。在ARMv8中，数据cache通常为PIPT(物理index物理tag)，但也可以为无别名的VIPT（虚拟index物理tag）。

        Cache中每个cache line包含：

1. 相关物理地址的tag值；
2. 有效位用来表明该line是否在cache中，即tag是否有效。如果cache的一致性跨越多个core时有效位也可以为MESI的状态位；
3. Dirty数据位表明是否cache line中的数据和外部内存中的数据保持一致；

        ARM cache为组相连。这意味着对于给定的地址有多个可能的cache位置或路。一个组相连的cache明显减少cache thrashing的可能性且改善程序执行速度，但代价为增加硬件复杂度和对功耗有轻微增加。

        一个简单的4路组相连的32KB L1 cache（比如Cortex-A57处理器的数据cache），16word cache line长度，如下图所示：

1.3 包含和独占caches

        考虑一个简单的内存读，比如在单个core处理器上执行LDR X0, [X1]。

（1）如果X1指向内存中的一个位置，它被标记为可cacheable，然后再L1数据cache中会有cache查找；

（2）如果在L1 cache中找到地址，然后数据从L1 cache中读取并返回给core；

 

（3）如果在L1 cache中没有找到地址，但在L2 cache中，cache line会从L2 cache加载到L1 cache中，然后数据返回到core。这会导致cache line从L1中被回收腾出空间，但仍在L2 cache中存在；

 （4）如果地址既不在L1 cache也不再L2 cache中，数据被同时从外部内存加载到L1和L2 cache中，然后返回给core。这也会导致cache line被回收。

        这是相当简化后的视角。对于多核和多cluster系统中，在从外部内存加载之前，需要检查L2 cache或在cluster中的L1 cache或其他cluster。另外，在这里没有考虑L3 cache或系统cache。

        这就是包含cache模型，这里相同的数据可能在L1和L2 cache中同时存在。在独占cache中，数据只能在一种cache中存在，地址不能够同时在L1和L2 cache中存在。