内存类型Write-through Write-allocate详解

好的，我们来深入解析 AXI 协议中一个相对特殊但设计精巧的内存属性：Write-Through Write-Allocate。

这个组合初看可能有些反直觉，因为 Write-Through 和 Write-Allocate 似乎追求的是两个相反的目标（一个强调立即写内存，一个强调用缓存缓冲写操作）。但正是这种组合，解决了特定场景下的性能瓶颈。

核心结论先行

• 是什么： Write-Through Write-Allocate 是一种缓存策略。Write-Through 指写入时同时更新缓存和主内存；Write-Allocate 指在写未命中时，先将数据所在的内存块载入缓存，然后再执行写入。
• 目标： 优化对尚未被缓存的、需要强一致性的、并且后续很可能被读取的数据的首次写入性能。
• 本质： 通过 Write-Allocate 将“写未命中”转化为“写命中”，从而使得后续操作能享受到缓存带来的速度优势，同时通过 Write-Through 维持数据的全局可见性。

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深入解析：拆解与组合

1. Write-Through (透写)

• 核心行为： 所有写入操作（无论命中与否）都必须最终更新到主内存。如果是缓存命中，则同时更新缓存和内存。
• 设计目标： 强数据一致性。保证其他系统主设备（如DMA、其他CPU核心）能立即看到写入的结果。

2. Write-Allocate (写分配)

• 核心行为： 当发生写未命中时（要写入的数据不在缓存中），CPU 不会直接写入内存。而是会：
  1. 在缓存中分配一个新的缓存行。
  2. 将整个缓存行的数据从主内存加载到缓存中（即使你只想写其中一个字）。
  3. 然后，在缓存中更新目标位置的数据。
• 设计目标： 利用空间局部性原理。假设如果你要写一个数据，你很可能会很快再次写入或读取它附近的数据。提前加载整个缓存线，为后续的访问提速。

3. Write-Through Write-Allocate 的组合效应

这个组合的关键在于处理 “写未命中” 的场景。让我们对比一下不同策略的处理流程：

场景： CPU 要执行一个 32 位写操作（STR）到地址 0x1000，但该地址所在的 64-byte 缓存行当前不在缓存中。

• 采用 Write-Through No-Allocate:

  1. 数据 (0x1000 处的 4 个字节) 被直接写入主内存。
  2. 操作结束。缓存无变化。
  • 结果： 写入完成，一致性得到保证。但如果 CPU 马上要读 0x1004，会发生读未命中，又需要一次慢速的内存访问。

• 采用 Write-Through Write-Allocate:

  1. Write-Allocate 触发： CPU 在缓存中分配一个缓存行，对应地址范围 0x1000 - 0x103F。
  2. 缓存行填充： CPU 发起一个突发读（Burst Read）操作，将整个 0x1000 - 0x103F 的数据块从内存读入刚分配的缓存行。
  3. 缓存更新： CPU 在缓存中更新 0x1000 处的 4 个字节为新数据。
  4. Write-Through 触发： 由于是写命中且策略是 Write-Through，CPU 将这 4 个字节的新数据写入主内存。
  5. 操作结束。缓存中 now 拥有了该内存区域的副本。
  • 结果： 写入完成，一致性得到保证。此外，整个 0x1000 - 0x103F 区域的数据都被加载到了缓存中。如果 CPU 马上要读 0x1004，会发生读命中，数据直接从高速缓存中返回。

这个组合的最终效果是：

• 牺牲了单次写入的延迟： 一次原本简单的直接写内存操作，变成了“读整个缓存行 + 写缓存 + 写内存”的更复杂操作，延迟更高。
• 换取了后续访问的超高速度： 为后续对该内存区域的一系列读写操作铺平了道路，它们都能以缓存速度进行。
• 始终保持一致性： 因为每一步都遵循 Write-Through 原则。

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为什么需要它？—— 应用场景

这种策略适用于对一片新的、未缓存的内存区域进行初始化或密集的写后读操作。

1. 堆内存的初始化：

   • 场景： 程序调用 malloc() 分配了一块新内存，然后立即用 memset() 或一个循环对其进行清零或初始化。这块内存之前未被访问过，肯定不在缓存中。
   • 为什么用它：
     • 第一次写入 0x1000（Write-Through Write-Allocate）虽然慢，但它将整个缓存行载入了缓存。
     • 接下来初始化 0x1004, 0x1008, ... 0x103F 的写入操作，全部变成缓存命中的 Write-Through 写入，速度极快。
     • 如果没有 Write-Allocate，每一次对未缓存地址的写入都要直接访问内存，速度会慢得多。

2. 创建需要共享的数据结构：

   • 场景： CPU 核心需要初始化一个数据结构（例如一个任务描述符），然后立即通知另一个核心或 DMA 控制器去读取它。
   • 为什么用它：
     • Write-Through： 保证了另一个设备读取时，能从内存中看到完全初始化好的数据。
     • Write-Allocate： 在 CPU 核心初始化该结构时，由于缓存行的加载，后续的字段写入都在缓存中完成，加快了初始化速度。CPU 核心自身如果很快要读取该结构，也能从缓存中快速访问。

3. 对非时间顺序访问的写入：

   • 场景： 写入一个数组，但索引是跳跃的、非顺序的。
   • 为什么用它： Write-Allocate 加载的是整个缓存行。即使你只写一个字节，它也会把附件的几十个字节都拉进来。当你接下来跳跃到写入同一个缓存行内的另一个地址时，这次写入就是缓存命中的，速度非常快。

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在 AXI 协议中的表示

在 AXI 协议中，这是通过 AWCACHE 信号实现的（因为 Write-Allocate 主要与写事务相关）。

• AWCACHE[1] (Cacheable): 1 (表示是 Cacheable 的)
• AWCACHE[3] (Write-Allocate): 1 (表示 Enable Write-Allocate)
• AWCACHE[2] (Read-Allocate): 通常为 0 (但也可以为1)
• AWCACHE[0] (Bufferable): 通常为 0 (强调写入必须到达内存)

一个典型的 Write-Through Write-Allocate 配置是 AWCACHE = 4'b1110。

• C=1: Cacheable
• WA=1: Write-Allocate
• RA=0: No Read-Allocate (也可以是1，但WA=1是核心)
• B=0: Not Bufferable

对比总结

属性	写未命中行为	优点	缺点	适用场景
Write-Through Write-Allocate	分配缓存行，读入数据，更新缓存，写透内存	加速后续访问，强一致性	首次写入延迟极高	初始化一块后续要频繁访问的共享内存
Write-Through No-Allocate	不分配，直接写内存	避免缓存污染，强一致性，首次写入快	后续访问可能慢	写入后不再读取的共享数据（如帧缓冲区）
Write-Back Write-Allocate	分配缓存行，读入数据，只更新缓存	写入性能极高，加速后续访问	数据非强一致，风险高	处理器私有数据的初始化
Non-cacheable	直接写内存	强一致，简单	所有访问都慢	设备寄存器

总结

Write-Through Write-Allocate 是一种 “用一次性的性能代价换取长期收益” 的缓存策略。

• 它的设计哲学： “磨刀不误砍柴工”。宁愿在第一次写入时花费额外开销（“磨刀”——分配并加载缓存行），也要为后续大量的访问操作做好极速响应的准备（“砍柴”——缓存命中）。
• 它的核心价值： 它是数据初始化阶段的优化利器，特别适用于那些初始化后立即被本CPU核心或其他设备频繁访问的共享数据区域。
• 它的代价： 单次写入延迟高，并且占用总线带宽（因为需要先执行一个缓存行填充的读操作）。

简单来说，如果你知道一块内存马上就要被“热”起来，使用这个属性是值得的。如果你知道它只会被“冷”写一次，那么就应该避免使用它。