NVDIMM原理与应用之二：X86 Cache 管理的几种模式

X86 Cache 管理的几种模式

为了应对不同的应行场景,X86体系结构提供了多种维护cache一致性的模式和硬件机制。这些应用模式包括write back/write combing/write through/uncache，而和此相关的硬件包括store buffer, write combing buffer, MMTR，CR寄存器等。准确理解上面四种cache模式的差异，了解实现过程中的涉及到的不同硬件的模块，能够帮助工程师加深对系统结构的认识，从而能够针对 具体的应用，比如NVDIMM/NTB/SSD等，选择最合适的 等设备的cache模式。

1. store buffer

为了提高性能，允许内存写操作在真正执行完之前指令能够返回，X86处理器能够把对内存的写操作都临时存储到一个store buffer里面去。这个store buffer经常和指令执行部件关联在一起，它能够暂存对内存的读写，这样处理器就不用等真正的读写返回了。此外处理器还能自动保证序的正确性。当出现下面的情况下，硬件自动把store buffer里面的东西drain to memory:

中断；

内存屏障；

LOCK操作；

MFENCE/SFENCE;

IO操作

顺序指令

2.catch line

当处理器接受到从内存读的操作数刚好是可以cache的时候，处理器会从内存中读出长为cache line的数据到物理的cache line上去。

3.write combing/write through/write back/write protect的区别

3.1 write combiling:

读写没有cache,只是先写到了writing combing buffer,硬件不会自己维护memory一致性，对一致性有要求的软件必须留意到写往可WC的内存会出现延迟，并且如果对一致性有要求必须清空write combing buffer。注意write combing buffer  不同于L1/L2/L3 cache和store buffer，它只在WC模式下才会用到。它会在下面的情况下被硬件清空：

SFENCE/MFENCE指令

CPUID指令；

读写uncache的内存区域；

执行LOCK指令

在write combiling模式下，猜测读是允许的， 写操作可能会延迟，因为它可能会被合并到writing bffer里面去，直到后面的串行化指令例如（SFENCE,MFENCE,CPUID, read/write uncached memory,an interrupt, or LOCK instruction)出现。这种write combining 模式适合显存空间。

3.2 write though

读写可合并；写命中时：既到cache，又到内存，然后返回；写回内存时，invalid的cache没有catch fill，valid的cache有catch fill或者被invalid;

3.3 write back

读写可合并；写命中时：先到cache,　在需要释放它的cache line(比如cache full）时再写回内存；写不命中时，到内存，然后进行cache fill。

3.4 Write protect

写扩大到系统总线，并导致总线上的所有处理器相应的cache line都被invalid．

3.5 uncached 

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

设置CR0上的CD为１, NW flag = 0;

disable MTRRs 且设置默认的内存类型是uncached(或者用MTRR设置所有的内存区域是uncache的）。

注意MTRR和OS 页表/页目录表之间的优先级及关系：

BIOS设置了好全局的MTRR表格之后，内核还是可以通过页表和页目录表进行修改。

为了维护cache一致性，需要用wbinvd命令，写回并无效所有的L1/L2/L3 Cache。

4. WBINVD和CFLUSH的区别

WBINVD:写回所有内部cache的有改动的cache line,然后无效L1/L2/L3级cache的内容

CFLUSH:把指定cache line里面的数据flush到内存，然后释放相应的cache line,这条指令提供了用户显示地释放cache空间的接口，特别当用户确定当前cache里面的内容暂时不会再访问到的时候可以用CFLUSH来释放cache line给其他数据用。

本文转自存储之厨51CTO博客，原文链接：http://blog.51cto.com/xiamachao/1746123 ，如需转载请自行联系原作者