内存类型device Non-bufferablex详解

好的，我们来详细解释 AXI 协议中的 Device Non-cacheable 属性。这是一个非常关键的概念，尤其在与硬件外设（如寄存器、DMA 缓冲区）打交道时至关重要。

核心思想

Device Non-cacheable 是一种内存类型属性，它告诉系统互联结构和处理器：“这次访问的目标是内存映射的设备（如硬件寄存器），而不是普通的内存。因此，你必须严格按照我的指令来访问，不能做任何可能改变访问行为或顺序的优化。”

为了理解它，我们首先要看 AXI 协议如何定义内存属性。

---

AXI 协议中的内存属性：AxCACHE 信号

在 AXI 协议中，每次读或写事务都会有一组信号来定义其内存属性。最关键的是 AxCACHE[3:0] 信号（ARACHE 用于读，AWCACHE 用于写）。这 4 个比特位定义了事务的缓存和缓冲特性。

AxCACHE 信号的四个位分别是：

1. [0] - Bufferable (B)
2. [1] - Cacheable (C)
3. [2] - Read-Allocate (RA)
4. [3] - Write-Allocate (WA)

不同的位组合定义了不同的内存类型。Device Non-cacheable 是其中的一种特定组合。

---

Device Non-cacheable 的具体含义

通常，Device Non-cacheable 对应于 AxCACHE = 4'b0000（即 Bufferable=0, Cacheable=0, Read-Allocate=0, Write-Allocate=0）。

让我们分解这个配置的含义：

1. Non-cacheable (C=0)

   • 最重要的一点：该事务不能通过缓存（Cache）来完成。
   • 处理器核心必须直接向最终的目标地址发起访问，绝对不能从缓存中读取数据，也绝对不能将数据只写入缓存就结束。
   • 对于读操作，必须从设备/内存中读取最新值。
   • 对于写操作，必须将数据最终写入设备/内存。

2. Non-bufferable (B=0)

   • 强调写入的完成确认：一个写事务只有在它真正到达最终的外设设备并被其接受后，才能返回“完成”信号（BRESP/RRESP）给发起者（如 CPU）。
   • 中间不能有写缓冲区（Write Buffer）暂存数据并提前返回完成信号。发起者需要确切地知道写操作是否被设备成功执行。

3. Non-allocate (RA=0, WA=0)

   • 这次访问绝不会导致缓存行分配（Cache Line Allocation）。因为本身就不是 Cacheable 的，所以自然不会分配。

为什么需要这种属性？（关键特性）

当你访问一个内存映射的设备（例如 UART 的数据寄存器、GPIO 的控制寄存器、中断控制器等）时，你必须遵守两条铁律：

1. 副作用（Side Effects）：

   • 对设备的每一次读写都可能具有不可重复的副作用。
   • 读操作：读取一个 UART 的接收数据寄存器，每读一次，硬件可能就会将“数据已就绪”的标志位清零。如果你第一次读操作被缓存了，后续的读操作直接从缓存返回旧数据，你就永远无法读到新的数据，并且硬件状态也会错乱。
   • 写操作：向一个设备控制寄存器写入“启动”和“停止”命令。如果这两个写操作被缓冲或重排序，可能会导致“停止”先于“启动”到达设备，使得设备无法正常工作。

2. 严格有序（Strict Ordering）：

   • 对设备的访问顺序必须与程序发出的顺序严格一致。编译器或处理器的重排序优化会彻底破坏设备驱动程序的控制流。
   • 例如，必须先配置设备寄存器 A，再配置寄存器 B。如果写操作 B 先于 A 到达设备，设备可能无法初始化。

Device Non-cacheable (AxCACHE=0000) 的设置正是为了满足这些苛刻要求：

• 禁止缓存：确保每次访问都直接“戳到”硬件设备，避免副作用的重复或丢失。
• 禁止缓冲：确保写操作完成的确认信号意味着数据已被设备真正接收，驱动程序可以可靠地检查设备状态或发起下一次操作。
• 隐含的强序：虽然 AXI 协议本身允许事务乱序完成，但对于 Non-bufferable 的访问，系统互联通常会将它们视为强有序的，或者会确保对同一设备的访问保持程序顺序，以满足设备驱动的期望。

---

与其他内存类型的对比

内存类型	典型 AxCACHE 值	用途	缓存	缓冲	分配
Device Non-cacheable	4‘b0000	设备寄存器	否	否	否
Normal Non-cacheable	4‘b0001	不需要缓存但可缓冲的内存区域（如 DMA 缓冲区）	否	是	否
Write-Back Cacheable	4‘b1111	普通系统内存（如程序堆栈）	是	是	是
Write-Through Cacheable	4‘b1011	需要缓存且写操作需同时更新内存的区域	是	是	是

重要区别：Device vs Normal Non-cacheable

• 两者都是 Non-cacheable。
• 关键区别在于 Bufferable 位。
  • Device (B=0)： 用于有副作用、对顺序敏感的设备访问。必须等待最终完成。
  • Normal Non-cacheable (B=1)： 用于无副作用的内存访问（例如，一块标记为 non-cacheable 的 DMA 缓冲区）。写入可以先进写缓冲区，处理器可以继续执行，无需等待写入最终完成，提高了效率。

---

软件视角：如何设置？

在软件中，特别是在编写驱动程序或设置 MMU（内存管理单元）时，程序员需要为设备寄存器的内存映射区域配置正确的页表属性。

在 ARM 架构中，这通常意味着在页表描述符中设置：

• Memory Type:
  • Device 或 Strongly-ordered（这两种类型对应到 AXI 上基本都是 Device Non-cacheable 行为，Strongly-ordered 的要求甚至更严格）。
• Shareability:
  • 通常设置为 Outer Shareable 或 Global，以确保不同核心（或其它主机，如 DMA）对设备的访问是相互可见和有序的。

例如，在 Linux 内核中，用 ioremap() 函数来映射设备寄存器时，内核会自动将其映射为 Device Non-cacheable 类型。而你用 dma_alloc_coherent() 分配 DMA 缓冲区时，它可能会被映射为 Normal Non-cacheable。

总结

• 是什么： Device Non-cacheable 是 AXI 协议中一种关键的内存事务属性，配置为 AxCACHE = 0b0000（Non-bufferable, Non-cacheable）。
• 为什么： 它是为访问内存映射的设备寄存器而设计的，这些访问具有副作用和严格的顺序要求。
• 做什么： 它强制每次访问都直达设备，并且写操作必须等待设备的最终确认，从而确保软件可以精确地控制硬件状态。
• 在哪用： 所有设备驱动程序的开发都依赖于正确设置此属性，通常由操作系统内核在映射设备地址空间时自动完成。

简单来说，Device Non-cacheable 是处理器与硬件设备之间一种“简单、直接、可靠”的通信方式，避免了任何可能引起歧义的优化手段。