阅读ARM Memory(L1/L2/MMU)笔记

《ARM Architecture Reference Manual ARMv8-A》里面有Memory层级框架图，从中可以看出L1、L2、DRAM、Disk、MMU之间的关系，以及他们在整个存储系统中扮演的角色。

涉及到的相关文档有：

《ARM Architecture Reference Manual ARMv8-A》：E2 The AArch32 Application Level Memory Model和G3 The AArch32 System Level Memory Model两个章节，从总体架构上介绍了ARMv8-A Memory系统。

《Cortex-A53 TRM》：6 Level 1 Memory System、5 Memory Management Unit、7 Level 2 Memory System三个章节介绍了MMU/L1/L2三个模块在A53上的实现。

具体到MMU：

《MMU-500 TRM》：MMU-500技术参考手册。

《ARM SMMUv2》：System MMU 架构规格 version 2.0。

具体到L2：

《L2C-310 TRM》：L2控制器技术参考手册。

在Linux内核中查看L1/L2/L3缓存：

lscpu

...
L1d cache:             32K
L1i cache:             32K
L2 cache:              256K
L3 cache:              6144K
...

或者读取节点：

cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/indexx/size
cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/indexx/level

ARM Architecture Reference Manual ARMv8

ARM Corelink MMU-500 System Memory Management Unit Revision r2p4

1 Introduction

VA：Virtual Address

PA：Physical Address

IPA：Intermediate Physical Address

MMU-500是系统级的存储管理单元，它基于自身寄存器和转换表中的地址映射和存储器属性，将虚拟地址转换成物理地址。

将这个转换过程分为两个阶段：

• Stage 1 - 将输入的VA转换成PA或者IPA输出。
• Stage 2 - 将IPA转换成PA。
• 或者结合Stage 1和Stage 2将输入的VA->IPA->PA。

MMU-500可以将 转换表查找结果缓存到TLB中。

MMU-500包含一下主要部件：

TBU(Translation Buffer Unit) - 包含缓存页表的TLB，MMU-500给每个Master配置了一个TBU，专属于Master。

TCU(Translation Control Unit) - 控制和管理地址转换，一个MMU-500仅包含一个TCU。

Interconnect - 多TBU到TCU之间的连接。

Master可能包括GPU、Video engines、DMA Controller、LCD Controller、Network Controller等。

2 Functional description

2.1 About the functions

从Figure 1-1可知，一个MMU有多个TBU和一个TCU。TBU包含TLB，主要用于缓存经常使用的地址范围；TCU主要查找页表。

2.2 Interfaces

L2 Cache

摘录A53规格书中关于L2 Cache一段属性描述：

Optional tightly-coupled L2 cache that includes:
— Configurable L2 cache size of 128KB, 256KB, 512KB, 1MB and 2MB.---多种大小可配置
— Fixed line length of 64 bytes.------------------------------------每条Cache Line大小是64Bytes
— Physically indexed and tagged cache.
— 16-way set-associative cache structure.
— Optional ACP interface if an L2 cache is configured.
— Optional ECC protection

Cache Line可以简单的理解为CPU Cache中的最小缓存单位。

大小为64Bytes大小的Cache Line，128KB的L2 Cache，一共有128KB/64B=2048个Cache Line。

那么Cache存放规则是什么呢？Fully Associative、Direct Mapped、N-Way Set Associative。

Fully Associative是全关联的意思：如果在一个Cache集内，任何一个地址的数据都可以缓存在任何一个Cache Line里，那么我们称这个Cache是Fully Associative。

给一个内存地址，要知道他是否存在于Cache中，就需要遍历所有Cache Line并比较缓存内容的地址。

Direct Mapped给定一个内存地址，就唯一确定了一条Cache Line。以4GB内存空间，128KB L2 Cache，64B Cache Line，那么4GB/(128KB/64B)=2MB共用一条Cache Line，使用率太低。

N-Way Set Associative是吧一个缓存按照N个Cache Line作为一组(Set)，缓存按组划为等分。

同样以上面32位系统中L2 Cache规格为例，低6位是Cache Line中的偏移量；128KB/16/64B=128，中间7位表示Cache组号(Set Index)；剩余高19位就是内存地址的唯一ID。

给定一个内存地址可以唯一对应一个Set，对于Set中只需遍历16个元素就可以确定对象是否在缓存中。

128KB的Cache，分成128个Set；一个Set包含16根Cache Line；每根Cache Line大小64Byte。

即在连续内存地址中每Cache Line Offset+Set Index长度8KB就会出现一个处于同一Cache Set的缓存对象，争抢一个仅有16个空位的缓存池。

每Cache Line Offset+Set Index+16 Way=128KB才会导致一个Set内的Conflict。

《关于CPU Cache -- 程序猿需要知道的那些事》

《2.2 Cache的组成结构》

《CACHE的一些基本概念》

《7个示例科普CPU Cache line》

《cpu性能探究-Linux Cache机制》

《深入理解Cache》

L2C-310在Linux

arch\arm\mm\cache-l2x0.c

#
  # Processor Type
  #
  CONFIG_CPU_V7=y
  CONFIG_CPU_32v6K=y
  CONFIG_CPU_32v7=y
  CONFIG_CPU_ABRT_EV7=y
  CONFIG_CPU_PABRT_V7=y
  CONFIG_CPU_CACHE_V7=y
  CONFIG_CPU_CACHE_VIPT=y
  CONFIG_CPU_COPY_V6=y
  CONFIG_CPU_TLB_V7=y
  CONFIG_CPU_HAS_ASID=y
  CONFIG_CPU_CP15=y
  CONFIG_CPU_CP15_MMU=y

#
# Processor Features
#
CONFIG_OUTER_CACHE=y
CONFIG_OUTER_CACHE_SYNC=y
CONFIG_MIGHT_HAVE_CACHE_L2X0=y
CONFIG_CACHE_L2X0=y
CONFIG_CACHE_PL310=y
CONFIG_ARM_L1_CACHE_SHIFT_6=y
CONFIG_ARM_L1_CACHE_SHIFT=
CONFIG_ARM_DMA_MEM_BUFFERABLE=y
CONFIG_ARM_NR_BANKS=
CONFIG_CPU_HAS_PMU=y
CONFIG_MULTI_IRQ_HANDLER=y
# CONFIG_ARM_ERRATA_430973 is not set
# CONFIG_ARM_ERRATA_458693 is not set
# CONFIG_ARM_ERRATA_460075 is not set
CONFIG_PL310_ERRATA_588369=y
CONFIG_ARM_ERRATA_720789=y
CONFIG_PL310_ERRATA_727915=y
CONFIG_ARM_ERRATA_743622=y
CONFIG_ARM_ERRATA_751472=y
CONFIG_PL310_ERRATA_753970=y
CONFIG_ARM_ERRATA_754322=y
CONFIG_PL310_ERRATA_769419=y
# CONFIG_ARM_ERRATA_775420 is not set
# CONFIG_FIQ_DEBUGGER is not set

在setup_processor中将cache相关操作函数赋给cpu_cache，同时还包括cpu_tld和cpu_user。

start_kernel-->
    setup_arch-->
        setup_processor-->
static void __init setup_processor(void)
{
...
    list = lookup_processor_type(read_cpuid_id());
...
    processor = *list->proc;
    cpu_tlb = *list->tlb;
    cpu_user = *list->user;
    cpu_cache = *list->cache;
...
}

内核对这些函数的使用又进行了封装，同时对应底层汇编(以v7为例)。在arch/arm/mm/proc-v7.S中实现了汇编函数。

extern struct cpu_cache_fns cpu_cache;

#define __cpuc_flush_icache_all        cpu_cache.flush_icache_all
#define __cpuc_flush_kern_all        cpu_cache.flush_kern_all
#define __cpuc_flush_user_all        cpu_cache.flush_user_all
#define __cpuc_flush_user_range        cpu_cache.flush_user_range
#define __cpuc_coherent_kern_range    cpu_cache.coherent_kern_range
#define __cpuc_coherent_user_range    cpu_cache.coherent_user_range
#define __cpuc_flush_dcache_area    cpu_cache.flush_kern_dcache_area

/*
 * These are private to the dma-mapping API.  Do not use directly.
 * Their sole purpose is to ensure that data held in the cache
 * is visible to DMA, or data written by DMA to system memory is
 * visible to the CPU.
 */
#define dmac_map_area            cpu_cache.dma_map_area
#define dmac_unmap_area            cpu_cache.dma_unmap_area
#define dmac_flush_range        cpu_cache.dma_flush_range

关于TCM

TCM(Tighyly Coupled Memory，紧耦合内存)是一个固定大小的RAM，紧密地耦合至处理器内核，提供与cache相当的性能。

相比于cache的有点是，程序代码可以精确地控制什么函数或什么代码放在哪儿。当然TCM永远不会被踢出主存储器，他会有一个用户预设性能，而不是cache那样是统计特性的提高。

TCM对于以下几种情况的代码是非常有用、也是需要的：可预见的实时处理（中断处理）、时间可预见（加密算法）、避免cache分析（加密算法）、或者只是要求高性能的代码（编解码功能）。

随着cache大小的增加以及总线性能的规模，TCM将会变得越来越不重要，但是他提供了一个让你权衡的机会。

如何使用TCM？

再支持TCM的处理上，包含头文件#include <asm/tcm.h>。

使用__tcmdata、__tcmconst、__tcmfunc、__tcmlocalfunc修饰符，将变量、函数放到特定的tcm段中。

还可以使用tcm_alloc/tcm_free申请释放内存。

延伸阅读：

《对ARM紧致内存TCM的理解》- 关于TCM的介绍，以及和Cache相比的优劣。

《内核中tcm(arm)与sram代码》- 如何使用TCM。