内存类型write-through No-allocate详解

好的，我们来深入解析 AXI 协议中 Write-Through No-Allocate 这一内存属性。这是一个非常精细的缓存策略，用于特定的优化场景。

核心结论先行

• 是什么： Write-Through No-Allocate 是一种缓存策略组合。Write-Through 指写入时同时更新缓存和主内存；No-Allocate 指仅在缓存命中时使用缓存，不主动填充缓存。
• 目标： 针对写入频繁但后续很少读取的数据，避免其污染缓存。它通过 No-Allocate 策略节省宝贵的缓存空间，同时通过 Write-Through 策略保证写入的数据能立即被系统其他主设备看到。
• 本质： 一种选择性、保守的缓存使用策略，在保证数据一致性的前提下，最大化缓存效率。

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深入解析：拆解概念

要理解这个组合，我们最好将其拆分为 Write-Through 和 No-Allocate 两部分，并看看它们如何协同工作。

1. Write-Through (透写)

• 工作原理： 当 CPU 执行存储（写）操作时，如果数据在缓存中（缓存命中），则同时更新缓存行和主内存。如果数据不在缓存中（缓存未命中），则通常直接写入主内存（具体行为再与 Allocate 策略结合）。
• 优点： 数据一致性极佳。缓存和主内存中的数据始终保持一致。任何其他总线主设备（如 DMA、另一个 CPU 核心）都能立即看到 CPU 写入的最新数据，无需等待缓存行被后期刷回。
• 缺点： 性能开销大。每次写入都必须要完成相对缓慢的主内存访问，这限制了写入的吞吐量，消耗了更多总线带宽和功耗。

2. No-Allocate (不分配)

• 工作原理： 这是一个关于缓存未命中（Cache Miss） 时行为的策略。
  • 当发生读未命中时，数据从主内存读取后，不会将其放入缓存。
  • 当发生写未命中时，不会为要写入的数据在缓存中分配一个新的缓存行。
• 优点： 节省缓存空间。防止那些只访问一次或很少重复访问的数据占用缓存空间，避免了“缓存污染”（Cache Pollution）。这确保了缓存中只保留最有可能被再次访问的“热”数据，提高了缓存的命中率整体效率。
• 缺点： 如果判断错误，对后续会频繁访问的数据也采用了 No-Allocate，会导致性能下降，因为每次访问都必须直接访问慢速的主内存。

3. Write-Through No-Allocate 的组合效应

现在我们将两者组合起来，看看一次写入操作的全过程：

场景： CPU 发起一次对地址 A 的写操作，该地址当前不在缓存中（写未命中）。

1. No-Allocate 策略生效： 由于是写未命中且策略是 No-Allocate，CPU不会为地址 A 分配一个新的缓存行。这意味着数据不会被载入缓存。
2. Write-Through 策略生效： 数据将直接写入主内存。
3. 操作完成。

如果是对一个已缓存地址（写命中）的写入呢？

1. 数据同时更新缓存行和主内存（Write-Through）。
2. 缓存行状态变为脏（Dirty），但由于是 Write-Through，它其实时刻与内存同步，所以从一致性协议的角度看，它更像是“独占”但干净的状态。

这个组合的最终效果是：

• 写未命中： 数据直达内存，且不进入缓存。
• 写命中： 更新缓存和内存。（这种情况较少，因为 No-Allocate 策略使得这些数据很难被缓存起来）

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为什么需要它？—— 应用场景

这种策略非常适用于处理短暂的生命周期或写入后共享的数据。

1. 视频帧缓冲区 / 显示缓冲区：

   • 特点： CPU 或 GPU 会连续地写入一大片像素数据（写入频繁），但每个像素数据在写入后，在很长一段时间内都不会再被 CPU 读取（后续很少读），而是由显示控制器（一个独立的 DMA 主设备）直接从内存中读取并显示。
   • 为什么用它：
     • No-Allocate： 避免了巨大的帧缓冲区数据挤占缓存空间。这些数据只用一次，缓存它们毫无益处，反而会迫使更有价值的代码和数据被挤出缓存，导致性能急剧下降（缓存污染）。
     • Write-Through： 保证了显示控制器总能从内存中读到最新写入的帧数据，实现了CPU和显示控制器之间的数据一致性。

2. 网络数据包缓冲区：

   • 特点： CPU 准备一个网络数据包并写入缓冲区，然后通知网卡通过 DMA 将其发送出去。数据包一旦发出，缓冲区就会被重用。
   • 为什么用它： 与帧缓冲区同理。避免短暂的网络数据污染缓存，同时保证网卡 DMA 能读到最新数据。

3. 大量且随机的写入操作：

   • 特点： 对一个非常大的数组进行稀疏的、无规律的写入，且每个地址只写一次。
   • 为什么用它： No-Allocate 策略完美适配。如果使用普通的 Write-Back 策略，每次写未命中都会分配一个缓存行，但这条缓存行可能只被写一次后就再也不用了，这浪费了缓存空间。Write-Through 确保了写入立即可见。

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在 AXI 协议中的表示

在 AXI 协议中，这是通过 ARCACHE 和 AWCACHE 信号实现的。

• AxCACHE[1] (Cacheable): 1 (表示是 Cacheable 的)
• AxCACHE[3] (Write-Allocate): 0 (表示 No Write-Allocate)
• AxCACHE[2] (Read-Allocate): 0 (表示 No Read-Allocate)
• AxCACHE[0] (Bufferable): 通常为 0 (但与其他位组合决定最终模式)

对于 Write-Through 行为，通常 AxCACHE 会设置为 4'b1010 或类似的值。关键在于 WA=0 和 RA=0 实现了 No-Allocate 策略，而 C=1 表明缓存可以参与（在命中时），最终与缓存控制器本身的配置结合，实现 Write-Through 的写入行为。

对比总结

属性	写入行为 (命中时)	写入行为 (未命中时)	优点	缺点	适用场景
Write-Through No-Allocate	更新缓存和内存	直接写内存，不分配缓存行	避免缓存污染，数据立即可见	写入延迟高，带宽占用大	写入后共享的数据（帧缓冲、网络包）
Write-Back	只更新缓存	分配缓存行，只更新缓存	写入性能高，带宽占用小	数据不一致性风险，需要复杂协议	处理器私有的频繁读写数据
Non-cacheable	(不适用)	直接写内存	数据立即可见，简单	所有访问都慢，性能最差	严格共享的设备寄存器和DMA缓冲区

总结

Write-Through No-Allocate 是一种针对特定工作负载的优化型缓存策略。

• 它的设计哲学： “用时方存，过后即弃”。只有当数据很可能被再次访问时（通过缓存命中），才让它留在缓存中；对于那些明确知道只会使用一次的数据，坚决不让它们进入缓存。
• 它的核心优势： 在保证数据强一致性（Write-Through）的同时，极大地提升了缓存的利用效率（No-Allocate），将宝贵的缓存空间留给更重要的数据。
• 它的应用标志： 当你处理的数据具有 “写入密集” 且 “读取稀疏” 的特性，并且需要与其他系统主设备共享时，就应考虑使用此属性。