Intel 64 and IA32 内存类型 - memory type

内存类型 - memory type

内存类型又称为cache类型，用来定义系统内存区域的cache类型，当前Intel 64和IA32支持如下内存类型：

Strong Unacheable(UC) 

内存不可以cached，所有的读和写操作出现在总线上的顺序就是程序执行的顺序。不会执行预测内存访问，或者分支预测。这种内存类型的cache机制非常适合那些做

memory-mappped的IO设备。如果在普通内存上使用这种内存类型，将极大降低处理器性能。

Uncacheable(UC-)

和Strong Uncacheable类似，除了UC-内存类型可以通过修改MTRRs寄存器变成WC内存类型。这种内存类型自Pentium III处理器开始出现，并指只能通过PAT来指定。

Write Combining(WC)

这种类型的系统内存不可以cached，处理器总线的一致性协议不会保证一致性。可以预测读；写操作被 delay并且被合并到write combine buffer(WC buffer)中，以便减少内存的访问。

如果WC buffer仅仅部分被填充，那么写操作要推迟到下一次Serializing事件，比如SFENCE或者MFENCE指令，CPUID，对uncached memory的读写操作，一个中断，或者一个Lock指令。

这种内存类型非常适合video frame buffers，在需要把内存的内容显示到graphics display之前，写顺序并不重要。在Pentium Pro好Pentium II处理器家族中通过编程MTRRs选择这种内存类型；从Pentium III处理器开始通过编程MTRRs或者通过PAT来设置。

Write-through (WT)

对系统内存的读写操作都是cached。cache hits则从cache lines中读取，cache missed则会填充cache lines。允许预测读。写到cache lines的同时也会写通到系统内存（有可能不会写到cache line中，而是直接写通到系统内存）。当写通到系统内存时，无效的cache line不会被填充，而有效的cache line或者被填充或者变得无效。

write combining是允许的。

这种内存类型非常适合framebuffers，或者那些访问系统内存时不会snooping总线内存访问的设备。

这种内存类型保证处理器中的cache和系统内存间的一致性。

Write-back (WB)

内存读写都会cached。cache hits则从cache lines中读取，cache missed则会导致cache fills（cache填充）。写失败则导致cache line填充，如果可能整个写都在cache中执行。

Write combining是允许的。通过减少不必要的系统内存写操作，Write-back减少了总线传输。写到cache lines中并不会立刻推送到系统内存中，相反，这些写操作仅仅保留在系统cache中。这些修改的cache lines会推迟写到系统内存，直到执行write-back操作。

Write-back操作的触发：在cache lines需要重新分配时，比如当cache中分配的cache lines已经满了；或者在需要保证cache一致性时。

这种内存类型提供了最好的性能，但是访问这种系统内存的设备能够snooping内存访问，以确保系统内存和cache的一致性

Write Protected (WP)

从cache lines中读取，如果cache missed则引发cache fills。写操作则传播到系统总线，使得总线上处理器的相应cache lines变得无效。

预测读是允许的。这种内存类型从P6处理器家族开始出现，通过MTRRs寄存器设置。

选择内存类型

最简单的系统内存模式不使用memory-mapped IO（有读写副作用）；不包括frame buffer；所有的系统内存都使用write-back内存类型。一个IO代理可以对write-back执行DMA操作，并且cache protocol来维护cache一致性问题。当然这是一种理想的模型。

一个系统可以对memory-mapped IO使用strong uncacheable 内存类型，而且也应该使用strong uncacheable类型，尽管这会带来读的副作用。

双端口内存具有写副作用，因为在一个端口的写操作，在抵达memory agent前不会被另外一个端口观测到。对于frame buffer和双端口内存系统可以使用strong cacheable, uncacheable, write-through，或者write-combining内存类型。

Frame buffer内存一般来说都是很大的（典型几个MB），并且处理器写操作要多余读操作。frame buffer使用strong uncacheable内存类型会导致大量的总线操作，因为整个frame buffer的内容的写操作被分割成太小的写单位。使用write-through则会导致处理器的L2 L3 caches以及L1 Data cache的cache lines充满了无用的frame buffer数据。因此对于frame buffer，系统应该使用write-combining内存类型。

软件可以使用页面级cache control，因此针对某些特定的数据结构访问，替换write-back 内存类型为其他内存类型可能会带来性能上的提高。比如，软件可能只会读某个大的数据结构一次，此后不会再读取这个数据结构，直到其他的代理重写这个数据结构。对于包含这种数据结构的page，我们可以把这个页面标识为uncacheable，免得第一次读这个数据结构时，会把这些数据填充到cache中，而导致其他更有用的cache lines被换出。

对于那种包含仅写的数据结构的页面来说。我们也可以把这个页面类型指定为uncacheable，因为软件从来都不会读取它的值

从Pentium III， P4以及他们后续的处理器，引入了新的指令使得软件可以控制数据的cacheing, prefetching以及write-back。这些指令，可以用来指定weakly ordered或者处理器序的内存类型，进而改善性能。同时也使得软件能够更容易控制数据的cache。

Uncacheable内存类型上的指令获取。

程序可以在UC内存类型内存上执行，但是和UC memory数据读取不同。当做取指令时，处理器不会