内存类型write-through Read-allocate详解

好的，我们来详细解析 AXI 协议中 Write-Through Read-Allocate 这一内存属性。这是一个非常实用且常见的缓存策略组合，旨在优化一种特定的数据访问模式。

核心结论先行

• 是什么： Write-Through Read-Allocate 是一种缓存策略。Write-Through 指写入时同时更新缓存和主内存；Read-Allocate 指仅在读未命中时，将数据从内存载入缓存。
• 目标： 针对 “读取频繁，写入后需立即共享” 的数据。它通过 Read-Allocate 提升后续的读取性能，同时通过 Write-Through 保证写入的数据能立刻被系统其他主设备（如DMA）看到，维持强数据一致性。
• 本质： 为读取操作加速，为写入操作保序。是一种在一致性和读取性能之间取得平衡的策略。

---

深入解析：拆解概念

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。
• 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。这对于多设备共享数据至关重要。
• 缺点： 写入性能开销大。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. Read-Allocate (读分配)

• 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，会将其放入缓存中，以便后续快速读取。
  • 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。
• 设计意图： 基于一个假设——数据更可能被读取，而不是被再次写入。因此，值得在第一次读取时将其缓存起来，为后续可能的多次读取提速。而对于写入，如果第一次都没缓存，那就不值得为它分配空间。

3. Write-Through Read-Allocate 的组合效应

让我们通过两个场景来看这个组合的行为：

场景一：CPU 读取数据（核心优化场景）

1. CPU 读取地址 A，发生读未命中。
2. Read-Allocate 策略生效： 系统从主内存读取数据，并分配一个缓存行，将数据载入缓存。
3. 数据返回给 CPU。
4. 后续： 当 CPU 再次读取地址 A 时，发生读命中，数据直接从高速缓存中返回，速度极快。

场景二：CPU 写入数据（一致性保障场景）

1. 情况A：写命中。CPU 写入地址 B，且地址 B 已在缓存中（很可能是因为之前被读取过）。
   • Write-Through 策略生效： 数据同时更新缓存行和主内存。
2. 情况B：写未命中。CPU 写入地址 C，且地址 C 不在缓存中。
   • Read-Allocate 的“另一面”生效（即No Write-Allocate）： 不会为地址 C 分配缓存行。
   • 数据直接写入主内存。

这个组合的最终效果是：

• 数据通过读操作被主动加载到缓存中。
• 一旦数据在缓存中，后续的读操作极快（命中）。
• 所有的写操作（无论命中与否）都直达主内存，保证强一致性。
• 缓存只会被那些至少被读过一次的数据占据，避免了被“只写一次”的数据污染。

---

为什么需要它？—— 应用场景

这种策略适用于典型的 “读多写少” 且需要 “写入立即可见” 的共享数据。

1. 配置寄存器或内存中的状态标志：

   • 特点： 一个设备驱动需要频繁读取某个状态寄存器或内存中的状态位（read-heavy），以检查设备是否就绪。但写入操作相对较少，通常只在初始化时配置一次。而且，配置写入后必须立即对设备生效。
   • 为什么用它：
     • Read-Allocate： 第一次读取状态后，该状态被缓存，后续成千上万次的检查状态循环速度极快，大幅提升驱动效率。
     • Write-Through： 当 CPU 写入配置命令时，命令被立即写入设备寄存器，确保设备能及时收到并开始工作。CPU 写入状态标志时，也能立即被 DMA 控制器等其他主设备看到。

2. 共享的任务队列或生产者-消费者缓冲区：

   • 特点： 生产者（CPU核心1）将任务写入队列，消费者（CPU核心2）不断从队列中读取任务。消费者读取任务的频率远高于生产者放入任务的频率。
   • 为什么用它：
     • Read-Allocate： 消费者核心第一次从队列头部读取任务后，该内存区域被缓存，后续的读取操作会非常快。
     • Write-Through： 生产者核心放入新任务时，写入操作直达内存，确保消费者核心能立即看到新的任务，避免了因缓存未同步而导致的任务延迟处理。

3. 只读数据的初始化：

   • 特点： 程序启动时需要加载（写入）大量的常量数据到一片内存区域，之后这片区域在绝大部分时间里都被只读访问（例如存储程序代码、常量表）。
   • 为什么用它：
     • 初始化时的写入通过 Write-Through 保证数据正确落盘。
     • 后续的只读访问通过 Read-Allocate 机制享受到缓存带来的加速好处。

---

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[2] (Read-Allocate): 1 (表示 Enable Read-Allocate)
• AxCACHE[3] (Write-Allocate): 0 (表示 No Write-Allocate)
• AxCACHE[0] (Bufferable): 通常为 0 (但对于 Write-Through，它有时可为1，取决于具体实现，核心是 RA=1, WA=0)

一个典型的 Write-Through Read-Allocate 配置是 AxCACHE = 4'b1010。

• C=1: Cacheable
• RA=1: Read-Allocate
• WA=0: No Write-Allocate
• B=0: Not Bufferable (强调写入完成必须得到内存确认)

对比总结

属性	读未命中行为	写未命中行为	写命中行为	优点	缺点	适用场景
Write-Through Read-Allocate	分配缓存行	不分配，直写内存	更新缓存和内存	读性能好，数据强一致	写入带宽开销大	读多写少的共享数据（状态标志、队列）
Write-Back Read/Write-Allocate	分配缓存行	分配缓存行，只写缓存	只更新缓存	读写性能均优	数据有暂不一致风险	处理器私有的频繁读写数据
Write-Through No-Allocate	不分配	不分配，直写内存	更新缓存和内存	避免缓存污染，强一致	所有访问都可能慢	写入后共享且不再读的数据（帧缓冲）
Non-cacheable	(不适用)	直写内存	(不适用)	强一致，简单	所有访问都慢	严格共享的设备寄存器

总结

Write-Through Read-Allocate 是一种非常精巧的缓存策略，它并非追求极致的写入性能，而是在保证数据强一致性的前提下，最大化读取操作的性能。

• 它的设计哲学： “为读而存，写则直达”。数据值得被缓存的前提是它被读取过；而所有写入都必须立即全局可见，不能打折扣。
• 它的核心价值： 完美解决了多设备共享环境中，对读性能有高要求、对写一致性有严要求的平衡问题。
• 它的应用标志： 当你处理的数据访问模式是 “频繁读取，偶尔写入” 并且写入后的结果需要被其他系统组件立即看到时，这个属性就是理想的选择。