x86架构里的cache



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首先来一张x86文档里关于cache类型的表格，一共有6种可以设置。

1. UC，是最容易理解的，就是不用cache机制，读是直接从内存中读，写是直接写到内存里去。对于一些硬件寄存器，通常采用这种配置，因为寄存器的值是可以在CPU控制之外变化的。还有就是用来做DMA传输的内存，也需要是UC的，原因同上，DMA controller会在CPU背后悄悄的修改内存，打开cache的话就会造成cache和内存的不一致。

2. UC-，不是特别理解和UC具体细微的区别，但大致上肯定是相同的。

3. WC，这是arm中没有的功能，只有在x86里实现。首先要明确的是，设置成WC之后，就和L1，L2，L3的cache没有任何关系了。在x86里，有另外一块存储区域叫WC buffer（通常是一个buffer是64字节大小，不同平台有不同数量个buffer）。设置成WC的内存，对其进行读操作和UC是一样的，直接从内存里读取，绕过cache。但是当对其进行写操作的时候，区别就来了。新的数据不会被直接写进内存，而是缓存在WC buffer里，等到WC buffer满了或者执行了某些指令后，WC buffer里的数据会一下子被写进内存里去。

4. WT，这个是很常见的属性。

读内存的时候：

假如cache已经有了这块内存（read hit），则直接从cache里返回数据。

假如cache里没有（read miss），则把这块数据从内存中加载到cache中去，再从cache里返回数据。

写内存的时候：

假如cache已经有了这块内存（write hit），则更新cache里的数据，并把修改更新到内存。

假如cache里没有（write miss）：这里又要出来一个新的概念Write-Allocate和no Write-Allocate。在arm手册里是明确有这两个东西的，但是在x86的文档里我没有找到完全一样的东西，不清楚到底是怎么区分这两个概念的。

假如设置成Write-Allocate，就是先把更新写进内存，然后把内存加载到cache。

假如设置成no Write-Allocate，就会把更新直接写进内存，然后就结束了。

5. WB，这个也是很常见的属性。

读内存的时候：

假如cache已经有了这块内存（read hit），则直接从cache里返回数据。

假如cache里没有（read miss），则把这块数据从内存中加载到cache中去，再从cache里返回数据。

写内存的时候：

假如cache已经有了这块内存（write hit），则更新cache里的数据，但是不会写到内存里，直到这块cache被置换出去的时候才会被写进内存。

假如cache里没有（write miss）：

假如设置成Write-Allocate，就是先把更新写进内存，然后把内存加载到cache。

假如设置成no Write-Allocate，就会把更新直接写进内存，然后就结束了。

虽然有WT Write-Allocate / WT no Write-Allocate / WB Write-Allocate / WB no Write-Allocate这四种搭配，但是其中有两种搭配的性能是不好的，我们逐一分析下：

WT Write-Allocate：WT的核心思想就是写的时候保证cache和内存的一致性。但是write miss的情况下，Write-Allocate会把内存加载到cache中去，对于后面很有可能到来的下一次写操作，性能上得不到任何的优化，反而和no Write-Allocate想比，多从内存中读取了N个字节的数据。

WB no Write-Allocate：WB的核心思想就是把修改攒在cache里，等到未来一起写进内存。但是write miss的情况下，no Write-Allocate会使得每次写动作都是需要直接操作内存的，而没有使能cache的功能，因此效率也是很低下的。

6. WP，这又是一个比较奇怪的属性。读的时候和WT，WB没有区别。但是写的时候就会直接写进内存，并使无效当前cache。

分析下这几种cache的应用场景：

UC和UC-上面已经说的比较详细了，主要是寄存器和DMA。

一般的内存，则最通用的时WB，因为性能最好。

WT的功能很明确，但是我还不太理解什么场景下用它会有比较好的性能。

WC一般用在framebuffer上，因为framebuffer大多是由CPU写内容进去，然后由display controll读出去。

所以对于CPU而言，大多都是写操作。WC相对UC的优势很明确，可以把多次的写集中成一次，提高效率。

那和WB比哪？同样也是有优势的。因为WB会把所有的framebuffer都加载到cache里去，不仅不能提高写的速度，还会冲掉很多有用的cache，造成性能的下降。

至于WP，不清楚具体的应用场景。

最后说说cache一致性的东西，在多核的系统里，一般L1的cache是独立的，即每个核都有自己单独的L1 cache。

假如某个核写更新了一块cache，要是在别的核的cache里也有这些数据，那不就不一样了？

x86里有个机制叫做snoop，即在这种情况下，一旦一块cache被更新，其他核的cache中相同的块会被使无效。

这样的话，其他核要访问这些数据的时候就要重新从内存中加载这些数据，从而达到了一致的效果。