CPUID读取有关Cache的信息
1: void cpuidTest()
2: { 3: u32 val_eax, val_ebx, val_ecx, val_edx; 4: asm("cpuid"
5: : "=a" (val_eax),
6: "=b" (val_ebx),
7: "=d" (val_ecx),
8: "=c" (val_edx)
9: : "a" (2));
10: 11: printk("eax: 0x%08X\n", val_eax);
12: printk("ebx: 0x%08X\n", val_ebx);
13: printk("ecx: 0x%08X\n", val_ecx);
14: printk("edx: 0x%08X\n", val_edx);
15: }读出结果如下：
1: [190894.986103] ################################################################### 2: [190894.986109] eax: 0x76035A01 3: [190894.986110] ebx: 0x00F0B0FF 4: [190894.986111] ecx: 0x00CA0000 5: [190894.986112] edx: 0x00000000 6: [190894.986951] ###################################################################解析出有效的descriptor
1: 76H: TLB Instruction TLB: 2M/4M pages, fully associative, 8 entries 2: 03H: TLB Data TLB: 4 KByte pages, 4-way set associative, 64 entries 3: 5AH：TLB Data TLB0: 2-MByte or 4 MByte pages, 4-way set associative, 32 entries 4: F0H：Prefetch 64-Byte prefetching 5: B0H：TLB Instruction TLB: 4 KByte pages, 4-way set associative, 128 entries 6: FFH: General CPUID leaf 2 does not report cache descriptor information, use CPUID leaf 4 to query cache parameters 7: CAH: STLB Shared 2nd-Level TLB: 4 KByte pages, 4-way associative, 512 entries可以看到，
General CPUID leaf 2 does not report cache descriptor information, use CPUID leaf 4 to query cache parameters
没有返回Cache相关的信息，都是TLB信息。如果需要了解Cache的信息，需要使用4作为EAX的输入。
我们重新组装代码，读取Cache相关的信息：
1: void cpuidTest()
2: { 3: u32 val_eax, val_ebx, val_ecx, val_edx; 4: asm("cpuid"
5: : "=a" (val_eax),
6: "=b" (val_ebx),
7: "=d" (val_ecx),
8: "=c" (val_edx)
9: : "a" (4), "c"(1));
10: 11: u32 ways,partitions,line_Size, sets; 12: 13: ways = val_ebx >> 22; 14: partitions = (val_ebx >> 12) & 0x3FF; 15: line_Size = (val_ebx) & 0xFFF; 16: sets = val_ecx; 17: 18: printk("eax: 0x%08X\n", val_eax);
19: printk("ebx: 0x%08X\n", val_ebx);
20: printk("ecx: 0x%08X\n", val_ecx);
21: printk("edx: 0x%08X\n", val_edx);
22: 23: printk("ways: %d\n", ways+1);
24: printk("partitions: %d\n", partitions+1);
25: printk("line_size: %d\n", line_Size+1);
26: printk("sets: %d\n", sets+1);
27: printk("Cache L1 size: %d\n", (ways + 1)*(partitions + 1)*(line_Size + 1)*(sets + 1));
28: }结果如下：
1: [193334.815202] ################################################################### 2: [193334.815206] eax: 0x00000021 3: [193334.815207] ebx: 0x01C0003F 4: [193334.815208] ecx: 0x00000000 5: [193334.815209] edx: 0x0000003F 6: [193334.815209] ways: 8 7: [193334.815210] partitions: 1 8: [193334.815211] line_size: 64 9: [193334.815211] sets: 1 10: [193334.815212] Cache L1 size: 512 11: [193334.815672] ###################################################################
Linux是怎么读取的呢？
1: daniel@ubuntu:/mod/pslist$ cat /proc/cpuinfo 2: processor : 0 3: vendor_id : GenuineIntel 4: cpu family : 6 5: model : 42 6: model name : Intel(R) Core(TM) i5-2500 CPU @ 3.30GHz 7: stepping : 7 8: cpu MHz : 3269.310 9: cache size : 6144 KB 10: fdiv_bug : no 11: hlt_bug : no 12: f00f_bug : no 13: coma_bug : no 14: fpu : yes 15: fpu_exception : yes 16: cpuid level : 5 17: wp : yes 18: flags : fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush mmx fxsr sse sse2 syscall nx rdtscp lm constant_tsc up pni monitor ssse3 lahf_lm 19: bogomips : 6538.62 20: clflush size : 64 21: cache_alignment : 6422: address sizes : 36 bits physical, 48 bits virtual
23: power management:
1: static int show_cpuinfo(struct seq_file *m, void *v)
2: {3: struct cpuinfo_x86 *c = v;
4: unsigned int cpu;
5: int i;
6: 7: ******8: /* Cache size */
9: if (c->x86_cache_size >= 0)
10: seq_printf(m, "cache size\t: %d KB\n", c->x86_cache_size);
11: ****** 12: }1: unsigned int __cpuinit init_intel_cacheinfo(struct cpuinfo_x86 *c)
2: {3: /* Cache sizes */
4: unsigned int trace = 0, l1i = 0, l1d = 0, l2 = 0, l3 = 0;
5: unsigned int new_l1d = 0, new_l1i = 0; /* Cache sizes from cpuid(4) */
6: unsigned int new_l2 = 0, new_l3 = 0, i; /* Cache sizes from cpuid(4) */
7: unsigned int l2_id = 0, l3_id = 0, num_threads_sharing, index_msb;
8: #ifdef CONFIG_X86_HT
9: unsigned int cpu = c->cpu_index;
10: #endif
11: 12: if (c->cpuid_level > 3) {
13: static int is_initialized;
14: 15: if (is_initialized == 0) {
16: /* Init num_cache_leaves from boot CPU */
17: num_cache_leaves = find_num_cache_leaves(); 18: is_initialized++; 19: } 20: 21: /*
22: * Whenever possible use cpuid(4), deterministic cache
23: * parameters cpuid leaf to find the cache details
24: */
25: for (i = 0; i < num_cache_leaves; i++) {
26: struct _cpuid4_info_regs this_leaf;
27: int retval;
28: 29: retval = cpuid4_cache_lookup_regs(i, &this_leaf);30: if (retval >= 0) {
31: switch (this_leaf.eax.split.level) {
32: case 1:
33: if (this_leaf.eax.split.type ==
34: CACHE_TYPE_DATA) 35: new_l1d = this_leaf.size/1024;36: else if (this_leaf.eax.split.type ==
37: CACHE_TYPE_INST) 38: new_l1i = this_leaf.size/1024;39: break;
40: case 2:
41: new_l2 = this_leaf.size/1024; 42: num_threads_sharing = 1 + this_leaf.eax.split.num_threads_sharing; 43: index_msb = get_count_order(num_threads_sharing); 44: l2_id = c->apicid >> index_msb;45: break;
46: case 3:
47: new_l3 = this_leaf.size/1024; 48: num_threads_sharing = 1 + this_leaf.eax.split.num_threads_sharing; 49: index_msb = get_count_order( 50: num_threads_sharing); 51: l3_id = c->apicid >> index_msb;52: break;
53: default:
54: break;
55: } 56: } 57: } 58: }59: /*
60: * Don't use cpuid2 if cpuid4 is supported. For P4, we use cpuid2 for
61: * trace cache
62: */
63: if ((num_cache_leaves == 0 || c->x86 == 15) && c->cpuid_level > 1) {
64: /* supports eax=2 call */
65: int j, n;
66: unsigned int regs[4];
67: unsigned char *dp = (unsigned char *)regs;
68: int only_trace = 0;
69: 70: if (num_cache_leaves != 0 && c->x86 == 15)
71: only_trace = 1; 72: 73: /* Number of times to iterate */
74: n = cpuid_eax(2) & 0xFF; 75: 76: for (i = 0 ; i < n ; i++) {
77: cpuid(2, ®s[0], ®s[1], ®s[2], ®s[3]); 78: 79: /* If bit 31 is set, this is an unknown format */
80: for (j = 0 ; j < 3 ; j++)
81: if (regs[j] & (1 << 31))
82: regs[j] = 0; 83: 84: /* Byte 0 is level count, not a descriptor */
85: for (j = 1 ; j < 16 ; j++) {
86: unsigned char des = dp[j];
87: unsigned char k = 0;
88: 89: /* look up this descriptor in the table */
90: while (cache_table[k].descriptor != 0) {
91: if (cache_table[k].descriptor == des) {
92: if (only_trace && cache_table[k].cache_type != LVL_TRACE)
93: break;
94: switch (cache_table[k].cache_type) {
95: case LVL_1_INST:
96: l1i += cache_table[k].size;97: break;
98: case LVL_1_DATA:
99: l1d += cache_table[k].size;100: break;
101: case LVL_2:
102: l2 += cache_table[k].size;103: break;
104: case LVL_3:
105: l3 += cache_table[k].size;106: break;
107: case LVL_TRACE:
108: trace += cache_table[k].size;109: break;
110: } 111: 112: break;
113: } 114: 115: k++; 116: } 117: } 118: } 119: } 120: 121: if (new_l1d)
122: l1d = new_l1d; 123: 124: if (new_l1i)
125: l1i = new_l1i; 126: 127: if (new_l2) {
128: l2 = new_l2;129: #ifdef CONFIG_X86_HT
130: per_cpu(cpu_llc_id, cpu) = l2_id;131: #endif
132: } 133: 134: if (new_l3) {
135: l3 = new_l3;136: #ifdef CONFIG_X86_HT
137: per_cpu(cpu_llc_id, cpu) = l3_id;138: #endif
139: } 140: 141: c->x86_cache_size = l3 ? l3 : (l2 ? l2 : (l1i+l1d)); 142: 143: return l2;
144: }c->x86_cache_size = l3 ? l3 : (l2 ? l2 : (l1i+l1d));
1: static inline void native_cpuid(unsigned int *eax, unsigned int *ebx,
2: unsigned int *ecx, unsigned int *edx)
3: {4: /* ecx is often an input as well as an output. */
5: asm volatile("cpuid"
6: : "=a" (*eax),
7: "=b" (*ebx),
8: "=c" (*ecx),
9: "=d" (*edx)
10: : "0" (*eax), "2" (*ecx));
11: }为什么x86_cache_size是6144KB，而我们得到的L1缓存为512Bytes，L2也是512Bytes，L3是1536Bytes呢？
上面的程序有个错误，改过来结果
asm("cpuid"
: "=a" (val_eax),
"=b" (val_ebx),
"=d" (val_ecx),
"=c" (val_edx) //c和d写反了，不配对
: "a" (4), "c"(1));
1: [261214.698170] ################################################################### 2: [261214.698174] eax: 0x00000041 3: [261214.698175] ebx: 0x05C0003F 4: [261214.698176] ecx: 0x00000FFF 5: [261214.698177] edx: 0x00000000 6: [261214.698178] ways: 24 7: [261214.698178] partitions: 1 8: [261214.698179] line_size: 64 9: [261214.698180] sets: 4096 10: [261214.698181] Cache L3 size: 6144 KB
Intel与缓存有关的总线技术：
Strong Uncacheable：
所有的读和写操作，都按照编码时设定的严格顺序出现在系统总线(System Bus)上，不会发生乱序。
所有可能的硬件优化都被禁止，比如对可能的内存访问进行预测(speculative memory accesses)，pagetable walks, prefectches of speculated branch targets.等等。
当系统的IO被映射到物理内存空间时，这种模式是有用的，可以保证对IO设备的操作严格，不会引起歧义。
但是如果用来操作RAM内存，会极大降低性能。
Uncacheable:
和Strong Uncacheable是类似，区别在于：
Uncacheable可以通过对MTRR寄存器进行编程来将该区域类型修改为WC类型，但是Strong Uncacheable区域不可以被修改。
MTRR的意思是“内存类型及范围寄存器(Memory Type & Range Register)”。
Write Combining（WC）：
读写不被缓存在缓存中，但是写被缓存在WC Buffer中。而且不强制要求一致性(coherency)。
对内存的写可能被delay并且combine在WC buffer中，以减少对内存的访问次数。
直到一些特定的事件发生时，才被写回到内存中。
主要用于一些对写内存的顺序不感冒的场合，比如video frame buffer等等。
Write Through（WT）：写透
读被缓存在Cache中。
写操作会直接写到内存中。
如果缓存命中，则更新缓存，或者使用缓存失效(Invalidate)。
这种方式本身可以保证一致性(Coherency)。
Write Back（WB）:
读写都被缓存在Cache中。
写操作会被积累在缓存中，直到有人触发了write-back操作，才被写回到内存中。
或者当缓存行选中让位时，需要先将缓存行中的内容回写到内存中。
Write Protected（WP）:
读缓存在Cache中。
写操作首先传到系统总线上，即写到内存中。
然后让所有的processor的缓存中，与写的内存相关的缓存行全部失效。
DMA操作时对缓存的影响与依赖
通过DMA模式，从外部设备读入了一段数据到内存时，需要将该段内存对应的高速缓存行全部清空。注意，DMA操作是外设与内存之间的直接交换数据，不会经过CPU，因此也不会经过缓存。但是DMA操作之后，内存与缓存之间可能出现不一致现象，因此需要使相应的缓存失效。
同样，如果需要进行DMA操作，将内存中的一段数据写出到外部设备上时，也需要先将缓存中的内容回写到内存中，再从内存中回写到外部设备上。
广义上的缓存，大致有三种类型：
Cache:
这是狭义上的缓存，包含数据缓存和指令缓存，通常L1缓存分为数据和指令缓存两种，而L2和L3都是Unified Cache。
指令缓存，CPU基本上已经很好的支持和优化了，比如分支预测等等。
TLB: Translation Look-aside Buffers，快表
为了回忆分页机制的页面映射过程，会将页目录以及页表中的一部分先缓存在CPU内部的Buffer中，这个Buffer就是TLB。
这是专门用于分页机制的缓存。
Write Buffer
就是上文提到的WC Buffer。
CPU对内存进行写操作时，如果当前系统总线已经被锁住，此时可以将内容先写到一个缓存中，狭义上的Cache可以充当这个角色，但是如果对于Write Combining，并没有利用到狭义Cache时，就提供了WC Buffer供CPU来作写缓冲。
可以通过两种方式，控制某段内存区域适用的缓存方式：
1. 通过页表(PAT)中项目的字段，可以以页为粒度，对该页适合的缓存方式进行指定；
2. 通过MTRR进行设置，可以设置任意粒度的内存区域适用的缓存方式。
Order在缓存中和内存中的反应
处理器执行一段程序时，缓存接收到的改变和内存接收到的改变并不完全相同，体现出来的指令的序列也不相同。
指令序，Program Ordering, 指的就是缓存接收到的顺序，与执行的程序中的顺序是一样的；
处理器序，Processor Ordering，指的是出现在系统总线上的顺序，可以与指令序不同。
如果二者相同，称为“强序”, 否则，称为“弱序”
