Cache - 虚拟地址 or 物理地址

• 参考
  • https://zhuanlan.zhihu.com/p/107096130

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• Cache使用地址判断是否命中，地址使用的是物理地址还是虚拟地址呢？

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1. VIVT（Virtually Indexed Virtually Tagged）

• 虚拟高速缓存：以虚拟地址作为查找对象。
• 首先虚拟地址给cache，如果命中，则返回数据给cpu，如果未命中，则将虚拟地址通过MMU转化为物理地址，根据物理地址从主存中读取数据。
• 优点
  • 不需要在查找cache过程将虚拟地址翻译成物理地址，节省了MMU转换的时间，提高访问cache的访问速度。
• 缺点
  • 引入软件使用上的问题，歧义（ambiguity）和别名（alias）。

2. 歧义

• 歧义是指数据在cache中有相同的tag和index。
• 发生情况：不同进程，相同的虚拟地址映射不同的物理地址。
  • 可能出现A进程地址a映射的数据为b，而B进程地址a映射的数据为c，当A进程运行时，访问地址a会将数据b加载到cache上，而进程B运行时，访问地址a时命中了并将数据b返回给CPU，但是实际上B进程应该把数据c给CPU。
• 解决方法：切换进程，flush cache，主要有两种。
  • 使主存储器有效：首先将主存置为有效，将cacheline上已经修改的数据写回主存上，避免修改的数据丢失。
  • 使高速缓存无效：首先将cacheline都置为无效，保证切换时不会有进程误命中上一进程的数据。
• 所以对于VIVT来说，每次进程切换时，都可能出现大量的cache缺失，且只要切换进程就需要flush cache，导致性能的缺失。

3. 别名

• 发生情况：不同虚拟地址映射到相同物理地址。
  • 可能出现物理地址A对应的虚拟地址为B和C，index值B<C,那么当程序想要修改物理地址A对应的数据时，采用写回策略，对B进行修改，且修改的值没有同步到主存中，当程序想要访问虚拟地址C时，命中，但是取出的数据是未修改的。
• 解决方法
  • （1）采用nocache映射，不通过cache映射，CPU直接去主存读写数据。既适用于不同进程共享数据也适用于相同进程共享数据。
  • （2）不同进程共享数据，可以选择在进程切换时，flush cache，（主要因为存在一个向主存写数据的过程）。
  • （3）同一进程共享数据，保证虚拟地址cache大小对齐，保证每次虚拟地址都会找到同一个cacheline，下面有更详细的描述。

4. PIPT（Physically Indexed Physically Tagged)

• 物理高速缓存：为了解决VIVT歧义和别名的问题，tag和index都取自物理地址，对于物理地址来说tag和index都是唯一的。
• 实现过程
  • CPU发出的虚拟地址首先经过MMU转化为物理地址，给到cache控制器观察是否命中。如果未命中，将去主存中根据物理地址取出数据。
• 缺点
  • 硬件设计较VIVT要复杂很多，需要等待MMU转换之后才可以查cache。
  • 为了加快MMU转换速度，硬件上也会加一块TLB，虚拟地址和物理地址转换可以这篇博客。
  • 很多CPU都使用PIPT高速缓存。

5. VIPT（Virtually Indexed Physically Tagged）

• 物理标记的虚拟高速缓存
• 使用虚拟index查找cacheline，与此同时，将虚拟地址给MMU转换为物理地址。MMU转换完之后cache也查找结束了，此时比对物理tag是否相同，以判断是否命中cache。
• 不会存在歧义
  • 关键在于 VIPT的tag使用的是物理地址的PFN，是唯一的。
• 不会存在别名（特定情况下）
  • 对于大部分系统来说，虚拟地址和物理地址之间的映射最小是以页为单位，在这篇博客中有介绍，页addr[11:0]内的内容无论是物理地址还是虚拟地址都是相同的。
  • 所以对于直接映射高速缓存，如果cache的大小小于等于4KB，那么意味着虚拟地址和物理地址的index是一样的，此时VIPT和PIPT是相同的。
  • 对于多路组相连高速缓存，每一组大小小于等于4KB，使用虚拟地址（此时等于物理地址）来做index寻址，并选择物理地址的tag来选择命中哪路的cache line。
• 别名问题
  • 若cache的大小大于4KB，还是会出现别名问题。
  • 目的：避免相同物理地址的数据被加载到不同cacheline中。
    • 解决方法：相同物理地址数据对应的虚拟地址满足cache大小对齐。
    • 举例：cache大小8KB = 2^13，cache line大小为256B = 2^8，那么虚拟地址应该是下表几种情况，这样才会都找到第4行cacheline，不会出现别名的情况。
    • Linux实现中，采用该方法解决的别名问题。

address

0_00100_0000_0000

1_00100_0000_0000

10_00100_0000_0000

...

• 对于L1 Cache的ICache，如果使用VIPT，虽然存在别名问题，但是考虑其为只读，所以即使多个虚拟地址对应一个物理地址也没有关系。

6. 不存在的PIVT高速缓存

• 没有任何优点，首先需要通过MMU转换，消耗时间。还存在歧义和别名的问题。

7. 总结

• VIVT几乎没有人使用，软件维护成本过高。
• 对于多路组相连高速缓存的一路大小小于等于4KB，采用VIPT。
• 对于一路大于4KB的，一般采用PIPT，VIPT也可以，但是还是需要特殊处理一下别名问题。