嵌入式编程需注意的Cache机制及其原理

　　为了证实以上说法，循环执行如下测试程序：

　　如果没有Cache的影响，结果应该是55 aa aa。可见，Cache关闭再打开的确可造成Cache数据过时。

　　3 其他CPU解决方案

　　Atmel公司的AT91RM9200和Samsung公司的S3C44B0，用这两种CPU先后移植过操作系统，且在对外设访问的整个过程中Cache都是使能的。它们的解决方案是什么呢?

　　AT91RM9200是ARM9系列带有MMU的CPU。MMU对内存有分页管理功能，可以实现多个进程的内存空间保护。Cache是通过MMU管理的，这也是Cache和MMU经常同时存在的原因。

　　S3C44B0和S3C4510B同样都是Samsung公司产品，并且都不带MMU。与S3CA510不同的是，S3C4480自带的SFR可以配置非缓存范围，即使Cache使能，所设置范围的地址空间访问也不通过Cache实现。这样，可以很方便地实现内存是缓存区，其他外设是非缓存区。

　　这两种方案对于S3C4510B都无法实现。网络上有人用volatile关键字解决外设访问问题。volatile关键字是在源代码中给编译器看的，它可能影响编译器的编译结果，但是最终CPU执行都体现到汇编语句，如果汇编语句都不能解决Cache问题，volatile语句也是不可能解决的。

　　对于易变数据的外设使用volatile关键字是应该的，可避免编译器的优化，比如以下语句：

　　在两次读取portAdd地址的数据相同时等待，可以用到等待信号跳变的程序。如果将volatile关键字去除，有可能经编译器优化，Value2不会从实际的portAdd地址读取数据，而是利用Valuel读取语句的中间寄存器直接获得。

　　4 本文解决方案

　　由S3C4510B手册上第5节的第4页可知，可以通过两种方式保证Cache数据的正确：

　　①对Cache映射表的Tag RAM数据清零。Cache映射表数据一般是通过上电复位清零的，如果Cache或内存段的设置被修改，则会造成Cache映射表数据废弃，这时就需要通过程序对Cache映射表数据清0。

　　②S3C4510B提供非Cache方式访问控制位，控制位ADDR[26](地址线26位)为“1”时，按非Cache方式访问。因此，Cache使能的情况下，地址0x000 0000～0x3FFFFFF按Cache方式访问，而0x400 0000～0x7FF FFFF按非Cache方式访问。实际上，0x000 0000+offset与0x400 0000+offset(offset在0x000 0000～0X3FF FFFF之间)是同一地址，不同的是Cache是否起作用。

　　可以得到两种解决方案：

　　(1)Cache映射表手动更新 既然在开关Cache之后内容过时，并且CPU不会自动刷新，可以通过手动更新的办法来抛弃废旧信息。也就是说，将Tag RAM区(前面所说的Cache映射表)清除，这样所有Cache数据区的内容都不使能，再次读取数据时同时更新Cache映射表和Cache数据区内容，之后才能使用。清除操作将Tag RAM的1 KB内容清零，需要消耗一定时间；并且这样操作后Cache是0命中率的，只有一定访问次数后Cache信息重新填满，才能恢复正常的命中率。因此，频繁地开关Cache时采用这种方案是不可取的。

　　(2)bit26位控制Cache使能

　　S3C4510B的地址线为26位(bit0～bit25)，实际上CPU可访问空间为32位(bit0～bit31)。一般我们都不使用bit26～bit31，不过S3C4510B的这些位有着特殊的控制功能。通过bit26的高电平可以禁止该地址的Cache功能，因此将外设的地址由原来的ADDR_PORT改为(ADDR PORT∣(126))，就可以实现外设访问时Cache不使能。这样就不用改为SYSCFG的Cache使能控制位。比较来看，SYSCFG的Cache使能位是控制整个CPU访问的Cache使能与否，而bit26只控制当前访问的一个具体地址的Cache使能与否。采用这种解决方案理论上有依据，并且可以最大程度发挥CPU的功能。

　　5 修改程序后的试验结果

　　修改Cache解决方案后，可以解决内存访问错误的问题。经过测试，采用“bit26位控制Cache使能”的方案可以顺利访问外设，代码执行始终是在Cache使能的情况下，并且不影响内存数据。若完全关闭Cache的程序，执行同样代码需要花费5～8倍的时间。