什么是Cache

它是一种位于处理器核心和主存之间的高速缓冲存储器，用于存储频繁访问的数据以加速数据的检索。Cache的基本工作原理基于计算机程序执行的局部性特性，即在一定时间内，CPU会倾向于访问最近访问过的数据或附近的数据。

为什么要用Cache

Cache是为了提供快速的CPU存储访问而设计的，它的存在可以显著提高处理器的数据处理速度。在程序运行过程中CPU需要不断的从内存读取指令和数据，受限于内存访问速度，CPU需要等待指令或数据读取完成，这就造成了CPU的浪费。Cache就是用来减少CPU等待浪费的问题。Cache的读、写速度要比片内或片外内存快很多，使用Cache能大大提高程序的执行效率。

Cache的机制

Cache系统一般包括多个Cache line，每个Cache line通常包含一个数据块和一个标记。数据块是实际存储的数据，而标记则包含了该数据块的一些元信息，如数据块所在的内存地址、数据块的状态等。

当CPU需要读取某个内存地址的数据时，会首先查看对应的Cache line是否已被加载到Cache中。如果已经被加载，这个过程就被称为“命中”，则直接从Cache中读取该数据，这大大提高了处理速度；否则，如果Cache中没有所需的数据，这个过程被称为“未命中”，CPU则需要从主存储器中读取数据，并将其放入Cache中以备后用。

在写数据时，通常有两种主要的策略：write through(写通)和write back(写回)。

• 在write through策略中，当CPU执行写操作并在Cache中命中时，不仅会更新Cache中的数据，还会直接更新主存中的数据。这样可以保证Cache和主存的一致性，但可能会降低处理器的处理能力和占用总线带宽。

• 在write back策略中，CPU向内存中写数据，首先检查Cache中是否有数据备份，如果有则数据写入操作只写入Cache并标记为dirty，而并不会立即将数据更新到内存中，等待合适的时机会自动将数据更新到内存。如果没有则将会在Cache中分配空间，备份写入到内存的数据。

根据MPU设置的不同，Cache读、写不同属性的内存会采用不同的策略。

MPU介绍：MPU扫盲

S32K312 Cache简述

Cache属于内核外设，Cortex_M3与Cortex_M4没有Cache，Cortex_M7新增了Cache功能。

Cortex-M7内核Cache分为I-cache 和D-cache，在S32K312中，它们的大小均为8K。

• I-cache与D-cache 可以独立的打开和关闭

• I-cache用于存储指令/缓存代码，所以我们不必关心。

• D-cache用于存储数据，因为涉及到DMA等问题，D-cache使用不当会导致一些错误。

D-Cache一致性问题

开启Cache的RAM，在CPU和DMA对RAM多主访问的情况下，会出现数据一致性问题。

问题原因是CPU和DMA短时间内访问同一块内存区域。主要分为以下两种情况。

1. 未及时更新内存：当CPU向内存中写数据，如果Cache策略是“write back”CPU会将数据写入到Cache并且不会立即更新到内存中，如果此时DMA读取内存中的数据则读取得到的是旧数据，即出现数据一致性问题。

   

2. 未及时更新Cache：DMA更新了地址N中的数据，并且没有将更改更新到Cache。CPU从地址N读数据，并且在Cache中找到了地址N的数据备份，此时CPU得到的是旧的数据。

   

解决该问题的方法有两种：

1. 手动更新Cache，这需要对外设的机制较为了解，且要找到合适的时机清理或无效Cache。

   Note：

   • Cache清理并不是删除Cache中的内容，而是将Cache中的内容更新到各自对应的内存中。

   • 缓存无效化是指，Cache中的内容失效，效果如同删除了Cache中的数据备份，CPU再次读数据时将直接从内存中读取。

2. 将内存属性设置为non-cacheable的。