[经验]

ARM处理器使用虚拟地址来提供cache index和cache tag

王尚岱

2022-6-20 15:22:23

1359 ARM处理器 Cache

早期的ARM处理器使用虚拟地址（virtual addresses）来提供cache index和cache tag。

VIVT优点

这样做的好处是处理器内核可以使用虚拟地址进行cache look up，而无需进行虚拟地址到物理地址的转换。

VIVT缺点

缺点是当修改系统中虚拟地址到物理地址的映射时必须要clean和invalidate cache，这会对性能产生重大影响。

VIPT

后续的处理器使用不同的cache tag方案，index依然来自虚拟地址，但是tag来自物理地址（VIPT）。

使用物理地址作为tag的方案的优点是虚拟地址到物理地址映射关系的更改不需要再clean和invalidate cache。

这对于那些需要频繁修改页表映射的多任务系统具有显著优势。

使用虚拟地址作为index也有一些硬件优势，这意味着cache硬件在进行cache look up时不需要进行虚拟地址到物理地址的转换，从而提高cache look up的性能。这种cache tag方案称为Virtually Indexed, Physically Tagged (VIPT)。

VIPT缺点

VIPT 方案有一个缺点，对于4 way组相联 32KB cache（cacheline为1Byte），需要地址的比特[12:0]作为index。如果在 MMU 中使用4KB页，则虚拟地址的比特[12]可能不等于物理地址的比特[12]。

因此，如果多个虚拟地址映射指向同一个物理地址，则存在潜在的cache一致性问题。

可以通过对页表相关的操作系统软件增加某些约束来解决这个问题。

PIPT

通过使用Physically Indexed, Physically Tagged (PIPT) cache可以避免这个问题，但是代价就是cache look up的性能比较低。

原作者：验证哥布林

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