Vxworks下的高速缓冲存储器一致性问题

 1. Vxworks下的高速缓冲存储器一致性问题

美国风河(WindRiver)公司的VxWorks是目前最先进的实时嵌入式操作系统。Tornade是它的集成一体开发环境。然而，vxWorks下编程硬件驱动程序时却存在着高速缓冲存储器一致性(Cache Coherence)的问题。该系统下有两个cache区：数据高速缓冲存储器和指令高速缓冲存储器 本文讨论的高速缓冲存储器问题均指数据高速缓冲存储器。

高速缓冲存储器一致性问题是指高速缓冲存储器中的数据必须与内存中的数据保持同步(一致) 这个问题常发生在CPU内核与另一个设备异步访问内存时。

高速缓冲存储器可以工作在Write-through或copyback模式。在Write-through模式下，数据输出时.系统会把数据同时写入高速缓冲存储器和内存中.这样.就保证了输出时的高速缓冲存储器一致性。但该模式却无法解决输入时的高速缓冲存储器一致性问题.在Copyback模式下。系统只写数据到高速缓冲存储器中，因此对于数据输入和输出都存在高速缓冲存储器一致性问题。

VxWorks下通常有两种方法解决高速缓冲存储器一致性问题.

(1)Cache-safe buffer(即non-cacheable 的buffer)。这种情况下，CPU读数据时会从内存中读取.而不是从高速缓冲存储器中读取：而CPU写数据时则同时写入高速缓冲存储器和内存.

该方案可通过以下两种方法实现.

* 在内存段属性中定义此段buffer，空间属性为non-cacheable;

* 在内存管理单元MMU支持下，用cacheDmaMalloc()/cacheDmaFree()获得此段buffer。则此段buffer是non-cacheable的(注意无MMU时。分配的buffer是cacheable.此法不支持这种情况)。

(2)对于cacheable的buffer空间，采用flush()/invalidate()函数或宏来配合读/写使用此段buffer空间.flush()将高速缓冲存储器中的数据写入内存。invalidate()则将内存中数据写入高速缓冲存储器。这两个函数都保证了高速缓冲存储器与内存同步。

实际flush()/invalidate()函数有如下两组，功能相同稍有区别：

组1：CACHE_DMA_FLUSH()函数和CACHE_DMA_INVALIDATE()函数

组2：cacheFlush()函数和cacheInvalidate()函数

第一组实际是2个宏，与cacheDmaMalloc()函数配合使用。

2. MPC860上高速缓冲存储器一致性的软件设计方法

MPC860是摩托罗拉公司的32位多用途集成通信控制器.主要包括一个32位的嵌入式PowerPC core。一个通信处理模块CPM，一个系统集成模块SIM60及一个独立的快速以太网FEC模块.在VxWorks下编写MPC860的驱动程序。要保护的是CPM、FEC模块的发送/接收缓冲区描述符TXBD/RXBD及其对应的缓冲区对于MPC860开发中象BD(Buffer DescriptiOn)这样的静态空间适合采用cache-safe boffer方法。即采用第1种方法;

而对BD域中对应的缓冲区.由于该缓冲区多是动态分配和释放，更适合采用第2种方法，即采用flush()/invalidate()函数或宏来配合读/写使用此段缓冲区空间.这样可以避免将整个的包括还未分配的空间都预先标记为non-cacheable而造成效率低下。具体可以采用下面的方法：

(1)TXBD/RXBD放在MPC860双口RAM中。并在板级支持包BSP文件Syslib.c中的页描述符数据结构 svsPhysMemDesc[]中定义860上所有64K内存空间为non-cachable的缓冲区。从而不必做cache coherence的保护了.

(2)对应TXBD/RXBD中数据指针域的发/收缓冲区均用cache DmaMalloc()获得(具体是指初始化时给所有接收RXBD挂接的初始缓冲区和接收帧函数中给RXBD挂接的新缓冲区.以及在应用层中使用的发送 TXBD对应的缓冲区)。而用cacheDmaFree()释放.同时发送帧函数中用cacheFlush()函数保护待发送TXBD对应的缓冲区：接收帧函数中用cache Invalidate()函数保护已经装载了接收数据的接收缓冲区。以快速以太网FEC的驱动程序为例，保护具体实现如下：

/* FEC发送帧函数 */

FEC_SEND_FRAME()

{

/* 填写发送buffer内容，实际填写在data cache中 */

sptr_tx_buffer[i]=data;

fec.txBd.dataPointer=(char*)sptr_tx_buffer;

/*将填写在data cache中的内容写回内存中的实际发送buffer(即以sptr_tx_buffer为地址的内存)中*/

cacheFlush(DATA_CACHE,sptr_tx_buffer,1518);

/*启动发送命令，FEC控制器发送内存中buffer内容而非data cache中内容*/

*(UINT32*)VXImmrGet()+MOT_FEC_TX_ACT_OFF))=MOT_FEC_TX_ACT;

}

/*FEC接收帧函数*/

FEC_RECEIVE_FRAME()

{

/*取得实际接收buffer的地址*/

pBuffer=(void*)fec.rxBd.dataPointer;

/*将RXBD对应的内存中接收buffer中内容写回data cache中*/

cacheInvalidate(DATA_CACHE，pBuffer，1520);

*vptr_buffer=pBuffer;

/*以后CPU可以安全使用接收buffer中的内容**vptr_buffer了*/

}

if ((pBuffer = (void *)malloc (allocBytes)) == NULL)

return (NULL);

/* Flush any data that may be still sitting in the cache */

cacheClear (DATA_CACHE, pBuffer, allocBytes);

cacheInvalidate (INSTRUCTION_CACHE, pBuffer, allocBytes);