1、ARM 的 MMU 与 CacheCache 是高性能 CPU 解决总线访问速度瓶颈的方法，然而它的使用却是需要权衡的，因为缓存本身的动作，如块拷贝和替换等，也是很消耗 CPU 时间的。MMU 的重要性勿庸置疑，ARM920T （和 ARM720T）集成了 MMU 是其最大的卖点；有了 MMU，高级的操作系统（虚拟地址空间，平面地址，进程保护等）才得以实现。二者都挺复杂，并且在 920T中又高度耦合，相互配合操作，所以需要结合起来研究。同时，二者的操作对象都是内存，内存的使用是使用 MMU/Cache 的关键。另外，MMU 和 Cache 的控制寄存器不占用地址空间，CP15 是操纵 MMU/
2、Cache 的唯一途径。Cache/Write Buffer 的功能Cache 通过预测 CPU 即将要访问的内存地址（一般都是顺序的），预先读取大块内存供CPU 访问，来减少后续的内存总线上的读写操作，以提高速度。然而，如果程序中长跳转的次数很多，Cache 的命中率就会显著降低，随之而来，大量的替换操作发生，于是，过多的内存操作反而降低了程序的性能。ARM920T 内部采用哈佛结构，将内部指令总线和数据总线分开，分别连接到 ICache 和DCache，再通过 AMBA 总线接口连接到 ASB 总线上去访问内存。Cache 由 Line 组成，Line 是 Cache 进行块读取和替换的单
3、位。Writer Buffer 是和 DCache 相逆过程的一块硬件，目的也是通过减少 memory bus 的访问来提高性能。MMU 的功能在内存中维护一张或几张表，就看你怎么给内存划分 page 和 section 了。通过 CP15 指定好转换表的位置，920T 的硬件会自动将转换表的一部分读到 TLB 中。CPU 每次进行内存读写时，发出虚拟地址，参照 TLB 中的转换表转换到物理地址，并读取相应 entry 中的信息，以决定是否可以有权限读写和缓存。mmugen 这个工具就是帮你构造这个表的，省的自己写程序了。操作 MMU，实际上就是如何分配和使用你的内存，并记录在 transla
4、tiontable 里。ARM920T 中， MMU 的每条 entry 包括 Cachable 和 Buffable 位来指定相应的内存是否可以用 Cache 缓存。此处就是 MMU 与 Cache 的交互作用处。实际上， MMU 和 Cache 的使用是操作系统设计者根据系统软硬件配置而考虑的事情。操作系统针对分配给应用程序的地址空间作内存保护和缓存优化。在没有操作系统的情况下，就需要我们自己来掌控它们了。其中，主要是合理分配内存。我认为，以下几点需要着重考虑：1) 安全第一！ - 避免 MMU 和 Cache 的副作用。当你在无 OS 的裸机上开发程序时，初始化运行环境的代码很重要，比如
5、：各种模式堆栈指针的初始化；将代码和 RW data 从 ROM 拷贝到 RAM；初始化.bss 段（zero initialized）空间等。此时会有大量的内存操作，如果你 enable 了 Cache，那么在拷贝完代码之后，一定要 invalidate ICache 和 flush DCache。否则将会出现缓存中的代码或数据与内存中的不一致，程序跑飞。另外，有时候我们需要自己作 loader 来直接运行 ELF 文件，情况也是一样，拷贝完代码后一定要刷新 Cache，以免不测。还有，对硬件的操作要小心。很多寄存器值都是被硬件改变的，读写时，要保证确实访问到它的地址。首先，在 C 语言代码
6、中声明为 volatile 变量，以防止内存读写被编译器优化掉；另外，设置好 TLB，使得寄存器映射的地址空间不被缓存。总之，缓存和内存中代码的不一致，是一定要避免的。2) 弄巧成拙！ - 只对频繁访问的地址空间进行 Cache 优化。我们很清楚自己的程序中，那里有大量的运算，哪里有无数的循环或递归，而这正是Cache 的用武之地，我们将这些空间进行缓存将大大提高运行速度。但是，很多函数或子程序往往仅仅运行很少几次，若是对它们也缓存，只会捡了芝麻丢了西瓜，造成不必要的缓存和替换操作，反而增加了系统负担，降低了整体性能。3) 断点哪儿去了？ - 如何调试“ 加速”了的代码？据我所知，一般，deb
7、ugger 都是通过扫描地址总线，在断点处暂停 CPU。ARM9TDMI中集成的 JTAG 调试口，也是这样。当我们调试使用 Cache 的代码时，将会出现问题。比如：CPU 访问某断点所在地址之前的地址时，发生缓存操作，断点处代码被提前读入 Cache，此时地址总线上出现了断点地址，CPU 被 debugger 暂停，并且断点之后的指令也被 Cache 缓存。于是，当你从断点处 step 时，程序却停不了了，因为地址总线上不再出现断点之后的下一个地址了。再举个例子：int i,a;for (i=0; i a+; /* set breakpoints */当地址总线上第一次出现断点地址时，CPU 暂停；之后，就再也不会停了。因为，之后CPU 会从 cache 中直接去代码了。( 当然，后来，Cache 的代码有可能会被替换掉，断点又可到达。) 所幸的是，我用的 debugger 提供 JTAG Monitor，允许断点跟踪使用 cache 的程序。全部参考来源于 ARM 的手册，建议详细阅读 1)的 PartB 及其在 2)中的具体实现。1) DDI0100E_ARM_ARM.pdf (ARM Architecture Reference Manual)2) DDI0151C_920T_TRM.pdf (ARM920T Technical Reference Manual)
