本應(yīng)用筆記的目的是讓讀者了解PIC32MZ器件系列中的 1 級（L1）CPU 緩存實現(xiàn)，讓讀者了解緩存系統(tǒng)中可能發(fā)生的危險，并描述解決這些問題的方法。對于高級用戶，還討論了 microAptiv? 內(nèi)核中管理緩存以獲得最佳性能的特殊指令。

本文檔不打算全面討論緩存體系結(jié)構(gòu)或?qū)崿F(xiàn)，也不涉及緩存管理的每個細節(jié)。從未使用過具有 L1 緩存的嵌入式控制器的開發(fā)人員，或希望了解 PIC32MZ 器件中 L1 緩存實現(xiàn)的開發(fā)人員，應(yīng)閱讀本文檔。

CPU 緩存是一個單獨的內(nèi)存塊，用于補償主內(nèi)存的訪問時間。被描述為一級緩存的緩存使用與 CPU 一樣快的內(nèi)存，因此只要 CPU 正在訪問緩存，它就永遠不必等待指令或數(shù)據(jù)。2 級和 3 級高速緩存與 1 級高速緩存結(jié)合使用，其內(nèi)存訪問時間大于 CPU，但小于主內(nèi)存。

該PIC32MZ器件系列僅采用1級高速緩存。L1緩存分為兩部分，指令緩存和數(shù)據(jù)緩存。CPU 可以直接訪問內(nèi)存或通過緩存訪問內(nèi)存。高速緩存的使用對于實現(xiàn)PIC32MZ器件系列的最大性能至關(guān)重要。與通過系統(tǒng)總線進行訪問時的多個時鐘周期相比，對高速緩存的內(nèi)存訪問發(fā)生在單個時鐘周期內(nèi)。

PIC32MZ 架構(gòu)

以下部分介紹了PIC32MZ架構(gòu)的 L1 緩存和其他兩個部分，它們對其操作和配置至關(guān)重要。

閃存預取模塊

Flash Prefetch 模塊用于隱藏 Flash 等待狀態(tài)。它通過使用 128 位數(shù)據(jù)路徑（是 32 位 CPU 總線寬度的四倍）獲取程序閃存來實現(xiàn)。它是預測性的，假設(shè)下一個需要的數(shù)據(jù)是下一行地址。只要代碼不分支，下一條指令總是可用的。加載新行時，分支會導致停頓。該模塊中的寄存器確定閃存等待狀態(tài)以及預取是應(yīng)用于指令訪問、數(shù)據(jù)訪問、兩者還是兩者都不進行。

內(nèi)存映射單元

在所有 PIC32 架構(gòu)中，CPU 對存儲器和外設(shè)的訪問都是通過虛擬地址空間完成的。虛擬地址空間分為五個段，分別命名為 KSEG0 到 KSEG3 和 KUSEG。物理到虛擬 KSEG0 到 KSEG1 地址的映射是固定的，所有內(nèi)部存儲器都存在于 KSEG0 和 KSEG1 段中。KSEG1 從不緩存，而 KSEG0 是可緩存的段。

PIC32MZ 架構(gòu)引入了基于轉(zhuǎn)換后備緩沖器（TLB）的存儲器映射單元（MMU）。TLB 可以配置為對 KUSEG、KSEG2 和 KSEG3 執(zhí)行虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的轉(zhuǎn)換。這些段的可緩存性屬性是在使用 CPU 協(xié)處理器 0 (CP0) EntryLo0 和 EntryLo1 寄存器配置 TLB 時定義的。

L1 指令和數(shù)據(jù)緩存

如圖 1 所示，CPU 可以直接訪問系統(tǒng) RAM，也可以通過緩存訪問。同樣，對 Flash 的訪問可以直接發(fā)生，也可以通過緩存發(fā)生。DMA 訪問總是直接通過 RAM 進行。除了 CPU 和緩存之間的訪問之外，所有訪問都涉及系統(tǒng)總線。

在復位時，代碼執(zhí)行從 KSEG1 使用非緩存訪問發(fā)生。這是必要的，因為緩存在被啟動代碼初始化之前無法使用。一旦緩存被初始化，代碼執(zhí)行就可以從 KSEG0 開始，它利用緩存來獲得最佳性能。

當 CPU 使用緩存進行訪問時，系統(tǒng)將檢查所需的數(shù)據(jù)是否已存在于緩存中。如果數(shù)據(jù)存在于緩存中，則不執(zhí)行任何操作。這稱為緩存命中。如果沒有，硬件會使用內(nèi)存內(nèi)容填充指令或數(shù)據(jù)緩存。這稱為緩存未命中。緩存未命中會導致性能損失，而緩存命中則不會。

緩存的大小是閃存或 RAM 大小的一小部分。它可以在初始化時以多種方式進行配置以優(yōu)化性能。MPLAB 開發(fā)工具將 PIC32MZ 緩存配置為“四路關(guān)聯(lián)”，因為這將是大多數(shù)應(yīng)用的最佳配置。四路關(guān)聯(lián)配置將緩存分為四個相等的部分，稱為路。其中每一個都分布在整個內(nèi)存地址范圍內(nèi)。每個緩存路被分成緩存線，這些緩存線代表可以在緩存和閃存或 RAM 之間傳輸?shù)淖钚?shù)據(jù)量。每行數(shù)據(jù)都包含將其與物理內(nèi)存相關(guān)聯(lián)并跟蹤其狀態(tài)的標簽。因此，每個內(nèi)存位置都可以在四個高速緩存路之一的高速緩存行中表示。

PIC32MZ 緩存實現(xiàn)

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