本應(yīng)用筆記的目的是讓讀者了解PIC32MZ器件系列中的 1 級(jí)（L1）CPU 緩存實(shí)現(xiàn)，讓讀者了解緩存系統(tǒng)中可能發(fā)生的危險(xiǎn)，并描述解決這些問(wèn)題的方法。對(duì)于高級(jí)用戶，還討論了 microAptiv? 內(nèi)核中管理緩存以獲得最佳性能的特殊指令。

本文檔不打算全面討論緩存體系結(jié)構(gòu)或?qū)崿F(xiàn)，也不涉及緩存管理的每個(gè)細(xì)節(jié)。從未使用過(guò)具有 L1 緩存的嵌入式控制器的開(kāi)發(fā)人員，或希望了解 PIC32MZ 器件中 L1 緩存實(shí)現(xiàn)的開(kāi)發(fā)人員，應(yīng)閱讀本文檔。

CPU 緩存是一個(gè)單獨(dú)的內(nèi)存塊，用于補(bǔ)償主內(nèi)存的訪問(wèn)時(shí)間。被描述為一級(jí)緩存的緩存使用與 CPU 一樣快的內(nèi)存，因此只要 CPU 正在訪問(wèn)緩存，它就永遠(yuǎn)不必等待指令或數(shù)據(jù)。2 級(jí)和 3 級(jí)高速緩存與 1 級(jí)高速緩存結(jié)合使用，其內(nèi)存訪問(wèn)時(shí)間大于 CPU，但小于主內(nèi)存。

該P(yáng)IC32MZ器件系列僅采用1級(jí)高速緩存。L1緩存分為兩部分，指令緩存和數(shù)據(jù)緩存。CPU 可以直接訪問(wèn)內(nèi)存或通過(guò)緩存訪問(wèn)內(nèi)存。高速緩存的使用對(duì)于實(shí)現(xiàn)PIC32MZ器件系列的最大性能至關(guān)重要。與通過(guò)系統(tǒng)總線進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)的多個(gè)時(shí)鐘周期相比，對(duì)高速緩存的內(nèi)存訪問(wèn)發(fā)生在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)。

PIC32MZ 架構(gòu)

以下部分介紹了PIC32MZ架構(gòu)的 L1 緩存和其他兩個(gè)部分，它們對(duì)其操作和配置至關(guān)重要。

閃存預(yù)取模塊

Flash Prefetch 模塊用于隱藏 Flash 等待狀態(tài)。它通過(guò)使用 128 位數(shù)據(jù)路徑（是 32 位 CPU 總線寬度的四倍）獲取程序閃存來(lái)實(shí)現(xiàn)。它是預(yù)測(cè)性的，假設(shè)下一個(gè)需要的數(shù)據(jù)是下一行地址。只要代碼不分支，下一條指令總是可用的。加載新行時(shí)，分支會(huì)導(dǎo)致停頓。該模塊中的寄存器確定閃存等待狀態(tài)以及預(yù)取是應(yīng)用于指令訪問(wèn)、數(shù)據(jù)訪問(wèn)、兩者還是兩者都不進(jìn)行。

內(nèi)存映射單元

在所有 PIC32 架構(gòu)中，CPU 對(duì)存儲(chǔ)器和外設(shè)的訪問(wèn)都是通過(guò)虛擬地址空間完成的。虛擬地址空間分為五個(gè)段，分別命名為 KSEG0 到 KSEG3 和 KUSEG。物理到虛擬 KSEG0 到 KSEG1 地址的映射是固定的，所有內(nèi)部存儲(chǔ)器都存在于 KSEG0 和 KSEG1 段中。KSEG1 從不緩存，而 KSEG0 是可緩存的段。

PIC32MZ 架構(gòu)引入了基于轉(zhuǎn)換后備緩沖器（TLB）的存儲(chǔ)器映射單元（MMU）。TLB 可以配置為對(duì) KUSEG、KSEG2 和 KSEG3 執(zhí)行虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的轉(zhuǎn)換。這些段的可緩存性屬性是在使用 CPU 協(xié)處理器 0 (CP0) EntryLo0 和 EntryLo1 寄存器配置 TLB 時(shí)定義的。

L1 指令和數(shù)據(jù)緩存

如圖 1 所示，CPU 可以直接訪問(wèn)系統(tǒng) RAM，也可以通過(guò)緩存訪問(wèn)。同樣，對(duì) Flash 的訪問(wèn)可以直接發(fā)生，也可以通過(guò)緩存發(fā)生。DMA 訪問(wèn)總是直接通過(guò) RAM 進(jìn)行。除了 CPU 和緩存之間的訪問(wèn)之外，所有訪問(wèn)都涉及系統(tǒng)總線。

在復(fù)位時(shí)，代碼執(zhí)行從 KSEG1 使用非緩存訪問(wèn)發(fā)生。這是必要的，因?yàn)榫彺嬖诒粏?dòng)代碼初始化之前無(wú)法使用。一旦緩存被初始化，代碼執(zhí)行就可以從 KSEG0 開(kāi)始，它利用緩存來(lái)獲得最佳性能。

當(dāng) CPU 使用緩存進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，系統(tǒng)將檢查所需的數(shù)據(jù)是否已存在于緩存中。如果數(shù)據(jù)存在于緩存中，則不執(zhí)行任何操作。這稱為緩存命中。如果沒(méi)有，硬件會(huì)使用內(nèi)存內(nèi)容填充指令或數(shù)據(jù)緩存。這稱為緩存未命中。緩存未命中會(huì)導(dǎo)致性能損失，而緩存命中則不會(huì)。

緩存的大小是閃存或 RAM 大小的一小部分。它可以在初始化時(shí)以多種方式進(jìn)行配置以優(yōu)化性能。MPLAB 開(kāi)發(fā)工具將 PIC32MZ 緩存配置為“四路關(guān)聯(lián)”，因?yàn)檫@將是大多數(shù)應(yīng)用的最佳配置。四路關(guān)聯(lián)配置將緩存分為四個(gè)相等的部分，稱為路。其中每一個(gè)都分布在整個(gè)內(nèi)存地址范圍內(nèi)。每個(gè)緩存路被分成緩存線，這些緩存線代表可以在緩存和閃存或 RAM 之間傳輸?shù)淖钚?shù)據(jù)量。每行數(shù)據(jù)都包含將其與物理內(nèi)存相關(guān)聯(lián)并跟蹤其狀態(tài)的標(biāo)簽。因此，每個(gè)內(nèi)存位置都可以在四個(gè)高速緩存路之一的高速緩存行中表示。

PIC32MZ 緩存實(shí)現(xiàn)

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