详细解释axi协议中提到的内存类型Write-back No-allocate

好的，我们来深入解析 AXI 协议中 Write-Back No-Allocate 这一内存属性。这是一个非常高级且精细的优化策略，用于解决特定场景下的性能问题。理解它需要结合缓存的工作原理和系统架构的目标。

核心结论先行

• 是什么： Write-Back No-Allocate 是一种缓存策略组合。
  • Write-Back： 指写入时只更新缓存，而不立即更新主内存。被修改的缓存行被标记为“脏”，之后由缓存替换算法决定何时将其写回内存。
  • No-Allocate： 指仅在缓存命中时使用缓存。当发生缓存未命中时（无论是读还是写），都不会将新的数据加载到缓存中。
• 目标： 针对 “只写一次且之后不会被本CPU核心再次访问” 的数据，避免其污染缓存。它在享受 Write-Back 带来的写入性能优势的同时，通过 No-Allocate 策略保护宝贵的缓存空间。
• 本质： 一种 “选择性懒惰” 策略。缓存只服务于它已经认识的数据；对于陌生的新数据，它选择“无视”，从而保持自身的纯净和高效率。

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深入解析：行为模式与设计哲学

让我们通过具体场景来理解这个看似矛盾组合的行为：

1. 读操作 (Read)

• 场景一：读命中

  1. 数据在缓存中。
  2. 直接从缓存返回数据给处理器。
  3. 速度极快。

• 场景二：读未命中

  1. 数据不在缓存中。
  2. No-Allocate 策略生效： 不会在缓存中分配新行。
  3. 直接发起 AXI 总线事务，从主内存读取数据并返回给处理器。
  4. 结果： 缓存内容无任何变化。数据不会被加载到缓存，因此如果后续再次读取，还会发生未命中。

2. 写操作 (Write) - 这是关键

• 场景一：写命中

  1. 要写入的地址已经在缓存中（说明它之前被读过或写过，并且被保留了）。
  2. Write-Back 策略生效： 处理器只更新缓存中的数据，并将其标记为 “脏”。
  3. 不会立即发起 AXI 写事务到内存。
  4. 结果： 写入速度极快。数据只在缓存中，内存中的数据是旧的。直到该缓存行被淘汰时，才会将其写回内存。

• 场景二：写未命中 - 这是 No-Allocate 策略的核心应用

  1. 要写入的地址不在缓存中。
  2. No-Allocate 策略生效： 不会为这个新地址分配缓存行，不会将数据加载到缓存。
  3. 数据通过 AXI 总线直接写入主内存。
  4. 结果： 缓存内容无任何变化。写入完成，内存已更新，但缓存中完全没有这个数据的痕迹。

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为什么需要这种策略？—— 解决“缓存污染”问题

这种策略是为了优化一种非常具体但常见的工作负载：大型、稀疏、一次性的写入。

经典问题场景：缓存污染
想象一个 CPU 核心正在向一块巨大的帧缓冲区写入像素数据。这个缓冲区有 10MB 大，而 CPU 的 L1 缓存只有 64KB。

• 如果使用标准的 Write-Back Write-Allocate 策略，每次写入一个未被缓存的像素，CPU 都会分配一个缓存行（例如 64 字节），并将整个像素块加载进来。
• 由于缓冲区巨大，CPU 很快就会被这些只写一次的像素数据填满。这意味着之前缓存的所有经常被访问的指令和关键数据（例如，处理图像的算法代码、操作系统内核数据）都会被挤出缓存。
• 当 CPU 接下来需要执行代码时，会发生大量的缓存缺失，必须从更慢的主内存中获取，导致性能急剧下降。这就是缓存污染。

Write-Back No-Allocate 如何解决这个问题：

• 当 CPU 向帧缓冲区写入时，由于是 No-Allocate，这些一次性像素数据根本不会进入缓存。
• 它们被直接写入内存，虽然单次写入延迟较高，但保护了缓存的内容不被破坏。
• CPU 的缓存里依然充满了宝贵的代码和其他热数据，保证了核心计算部分的高效执行。
• 整体的系统性能反而得到了提升，因为缓存用在了“刀刃”上。

典型应用场景

1. 视频帧缓冲区 / 图形显示缓冲区：

   • 特点： CPU 或 GPU 执行大量顺序或随机的写入操作，每个地址通常只写入一次，之后由显示控制器从内存读取。
   • 为什么用它： 完美避免缓存污染。缓存得以保留给图形渲染和合成的算法代码，而不是被很快就会过时的像素数据占据。

2. 网络数据包缓冲区：

   • 特点： CPU 准备一个数据包并写入发送缓冲区，然后由网卡 DMA 读取并发送。数据包一旦发出，缓冲区即被重用。
   • 为什么用它： 避免短暂的网络数据占用缓存。

3. 大规模数据初始化：

   • 特点： 使用 memset 或循环对一大片内存进行清零或填充固定值。
   • 为什么用它： 清零操作是典型的一次性写入。使用 No-Allocate 可以防止这片巨大的、无用的零值数据污染缓存。

在 AXI 协议中的表示

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

• 对于写事务 (AWCACHE):
  • AWCACHE[1] (C) = 1 (Cacheable)
  • AWCACHE[3] (WA) = 0 (No Write-Allocate) <- 这是核心
  • AWCACHE[0] (B) = 1 (Bufferable) （对于 Write-Back，此位通常为1，表示写入可以被缓冲，即不强制直达内存）

一个典型的 Write-Back No-Allocate 写配置是 AWCACHE = 4'b1011。

• C=1: Cacheable

• WA=0: No Write-Allocate

• RA=X: Don't Care for write

• B=1: Bufferable

• 对于读事务 (ARCACHE):

  • 通常设置为 No-Allocate 作为配套，即 ARCACHE[2] (RA) = 0。

对比总结

特性	Write-Back No-Allocate	Write-Back Write-Allocate	Normal Non-cacheable
写入行为（未命中）	直接写内存	分配缓存行，只写缓存	直接写内存
写入行为（命中）	只写缓存	只写缓存	(不适用)
优点	避免缓存污染，写入性能优于Non-cacheable	写入性能极高	数据立即可见，简单
缺点	写未命中延迟高	易造成缓存污染	所有访问性能都差
适用场景	一次性写入的大容量数据（帧缓冲）	处理器私有的频繁读写数据	设备寄存器

总结

Write-Back No-Allocate 是一种极其聪明的“舍小保大”策略。

• 它的设计哲学： “保护缓存的工作集”。宁愿承受一次性的、针对陌生数据的慢速写入，也要确保缓存这个高速资源被用于服务最需要性能的“热”数据（代码和频繁访问的数据结构）。
• 它的核心价值： 它是应对 “写入密集型” 且 “低局部性” 工作负载的终极武器，能够有效防止这类工作负载摧毁系统的整体性能。
• 它的决策点： 当你判断一块内存区域的数据写入后几乎不会被本CPU再次访问时，就应使用此属性。如果数据之后还可能被读取，那么经典的 Write-Back Write-Allocate 会是更好的选择。