NVDIMM原理與應用之二：X86 Cache 管理的幾種模式

X86 Cache 管理的幾種模式

為了應對不同的應行場景,X86體系結構提供了多種維護cache一致性的模式和硬體機制。這些應用模式包括write back/write combing/write through/uncache，而和此相關的硬體包括store buffer, write combing buffer, MMTR，CR暫存器等。準確理解上面四種cache模式的差異，瞭解實現過程中的涉及到的不同硬體的模組，能夠幫助工程師加深對系統結構的認識，從而能夠針對 具體的應用，比如NVDIMM/NTB/SSD等，選擇最合適的 等裝置的cache模式。

1. store buffer

為了提高效能，允許記憶體寫操作在真正執行完之前指令能夠返回，X86處理器能夠把對記憶體的寫操作都臨時儲存到一個store buffer裡面去。這個store buffer經常和指令執行部件關聯在一起，它能夠暫存對記憶體的讀寫，這樣處理器就不用等真正的讀寫返回了。此外處理器還能自動保證序的正確性。當出現下面的情況下，硬體自動把store buffer裡面的東西drain to memory:

• 中斷；

• 記憶體屏障；

• LOCK操作；

• MFENCE/SFENCE;

• IO操作

• 順序指令

2.catch line

當處理器接受到從記憶體讀的運算元剛好是可以cache的時候，處理器會從記憶體中讀出長為cache line的資料到物理的cache line上去。

3.write combing/write through/write back/write protect的區別

3.1 write combiling:

讀寫沒有cache,只是先寫到了writing combing buffer,硬體不會自己維護memory一致性，對一致性有要求的軟體必須留意到寫往可WC的記憶體會出現延遲，並且如果對一致性有要求必須清空write combing buffer。注意write combing buffer  不同於L1/L2/L3 cache和store buffer，它只在WC模式下才會用到。它會在下面的情況下被硬體清空：

• SFENCE/MFENCE指令

• CPUID指令；

• 讀寫uncache的記憶體區域；

• 中斷；

• 執行LOCK指令

在write combiling模式下，猜測讀是允許的， 寫操作可能會延遲，因為它可能會被合併到writing bffer裡面去，直到後面的序列化指令例如（SFENCE,MFENCE,CPUID, read/write uncached memory,an interrupt, or LOCK instruction)出現。這種write combining 模式適合視訊記憶體空間。

3.2 write though

讀寫可合併；寫命中時：既到cache，又到記憶體，然後返回；寫回記憶體時，invalid的cache沒有catch fill，valid的cache有catch fill或者被invalid;

3.3 write back

讀寫可合併；寫命中時：先到cache,　在需要釋放它的cache line(比如cache full）時再寫回記憶體；寫不命中時，到記憶體，然後進行cache fill。

3.4 Write protect

寫擴大到系統匯流排，並導致匯流排上的所有處理器相應的cache line都被invalid．

3.5 uncached 

如果用unreached模式，只需要disable cache就可以，下面的步驟可以disablecache:

• 設定CR0上的CD為１, NW flag = 0;

• disable MTRRs 且設定預設的記憶體型別是uncached(或者用MTRR設定所有的記憶體區域是uncache的）。

注意MTRR和OS 頁表/頁目錄表之間的優先順序及關係：

BIOS設定了好全域性的MTRR表格之後，核心還是可以通過頁表和頁目錄表進行修改。

為了維護cache一致性，需要用wbinvd命令，寫回並無效所有的L1/L2/L3 Cache。

4. WBINVD和CFLUSH的區別

WBINVD:寫回所有內部cache的有改動的cache line,然後無效L1/L2/L3級cache的內容

CFLUSH:把指定cache line裡面的資料flush到記憶體，然後釋放相應的cache line,這條指令提供了使用者顯示地釋放cache空間的介面，特別當使用者確定當前cache裡面的內容暫時不會再訪問到的時候可以用CFLUSH來釋放cache line給其他資料用。

本文轉自儲存之廚51CTO部落格，原文連結：http://blog.51cto.com/xiamachao/1746123 ，如需轉載請自行聯絡原作者