详细解释axi协议中提到的内存类型Write-back Read-allocate

好的，我们来深入解析 AXI 协议中 Write-Back Read-Allocate 这一内存属性。这是一种极其常见且高性能的策略组合，广泛应用于现代处理器架构中，用于优化典型的工作负载。

核心结论先行

• 是什么： Write-Back Read-Allocate 是一种缓存策略组合。
  • Write-Back： 写入操作只更新缓存，并将缓存行标记为“脏”。数据只在缓存行被替换时才写回主内存。
  • Read-Allocate： 仅在读未命中时分配缓存行。写未命中时不会分配缓存行。
• 目标： 针对 “读多写少” 或 “写入的数据很可能被再次读取” 的工作负载。它通过最大化缓存命中率来提升性能，同时通过减少不必要的内存写入来节省带宽和功耗。
• 本质： “为读取加速，为写入省流”。这是一种在性能和效率之间取得绝佳平衡的策略。

---

深入解析：行为模式

让我们通过具体场景来理解这个组合的行为：

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 - Read-Allocate 策略的核心应用

  1. 数据不在缓存中。
  2. Read-Allocate 策略生效： 在缓存中分配一个空白的缓存行。
  3. 发起 AXI 总线读事务，从主内存读取整个缓存行的数据。
  4. 将数据填充到缓存行中。
  5. 返回处理器所请求的数据。
  6. 结果： 该数据及其相邻数据被加载到缓存中，为后续的访问（很可能具有空间局部性）提供了加速潜力。

2. 写操作 (Write)

• 场景一：写命中

  1. 要写入的地址已经在缓存中（很可能是因为之前被读取过）。
  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，且消耗的总线带宽为零。

• 场景二：写未命中 - 这是与 Write-Allocate 的关键区别

  1. 要写入的地址不在缓存中。
  2. Read-Allocate 的“另一面”生效（即 No Write-Allocate）： 不会为这个新地址分配缓存行。
  3. 数据通过 AXI 总线直接写入主内存。
  4. 结果： 写入完成，内存已更新。缓存内容无任何变化。

---

为什么需要这种策略？—— 设计动机与应用场景

这种策略是基于对典型程序行为（如访存局部性原理）的深刻洞察而设计的。

1. 程序代码段 (Text Segment)：

   • 特点： 代码是只读的，或者绝大部分时间是被读取的（取指）。极少有写入操作。
   • 为什么用它：
     • Read-Allocate： 当一段代码第一次被执行时（读未命中），它会被加载到缓存中，后续无数次执行都会命中缓存，速度极快。
     • Write-Back： 即使有极少数情况需要修改代码（如动态链接库加载、JIT编译），一旦代码在缓存中，写入操作也会非常快。

2. 频繁读取的共享数据：

   • 特点： 一个在多核间共享的配置结构、查找表或常量数据。多个核心会频繁读取它，但很少写入。
   • 为什么用它：
     • Read-Allocate： 第一个读取它的核心会将其载入自己的缓存。后续其他核心读取时，可以通过缓存一致性协议（如MESI）从第一个核心的缓存中共享该数据，速度远快于从内存读取。
     • Write-Back： 偶尔的写入操作会在缓存中快速完成。

3. 写入后立即读取的数据结构：

   • 特点： 一个生产者-消费者队列。生产者核心写入数据，消费者核心读取数据。但通常，生产者核心在写入后，很快就会由消费者核心来读取。
   • 为什么用它：
     • 生产者核心的写入如果是未命中，会直接写内存（No Write-Allocate）。
     • 消费者核心的读取会发生读未命中，从而触发 Read-Allocate，将生产者写入的数据整个缓存行加载到自己的缓存中。这不仅读到了目标数据，还预取了相邻数据，优化了后续操作。

4. 节省带宽和功耗：

   • Write-Back 策略避免了每次写入都访问内存，大大减少了总线活动和内存访问次数，这在移动设备和数据中心中对于降低功耗至关重要。

对比：为什么不用 Write-Allocate？

Write-Allocate 在写未命中时加载整个缓存行，对于“只写一次”的数据来说，这是一种浪费。它加载了可能无用的数据，污染了缓存，并消耗了额外的读带宽。
Read-Allocate 则更聪明：它假设如果一块数据连被读取的“资格”都没有，那也不值得为它的写入而分配宝贵的缓存空间。数据必须首先通过被读取来“证明”自己的价值，才有资格被缓存。

---

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。

• 对于读事务 (ARCACHE):

  • ARCACHE[1] (C) = 1 (Cacheable)
  • ARCACHE[2] (RA) = 1 (Read-Allocate) <- 这是核心
  • 一个典型的读配置是 ARCACHE = 4'bxx1x (例如 4'b1010)。

• 对于写事务 (AWCACHE):

  • AWCACHE[1] (C) = 1 (Cacheable)
  • AWCACHE[3] (WA) = 0 (No Write-Allocate) <- 这是关键区别
  • AWCACHE[0] (B) = 1 (Bufferable) （对于 Write-Back，此位为1，表示写入操作可以被处理器内部的写缓冲区管理）
  • 一个典型的写配置是 AWCACHE = 4'b1011。

对比总结

特性	Write-Back Read-Allocate	Write-Back Write-Allocate	Write-Through Read-Allocate
读未命中	分配缓存行	分配缓存行	分配缓存行
写未命中	不分配，直写内存	分配缓存行，只写缓存	不分配，直写内存
写命中	只写缓存（快）	只写缓存（快）	写缓存和内存（慢）
优点	避免“只写”数据污染缓存，带宽效率高	写入性能极佳	数据强一致
缺点	偶尔的“写后读”可能性能不佳	易造成缓存污染	写入性能差，带宽开销大
适用场景	通用程序执行（代码、读多写少数据）	频繁写入的私有数据	读多写少的共享数据

总结

Write-Back Read-Allocate 是现代处理器架构中最主流、最均衡的缓存策略。

• 它的设计哲学： “不见读，不缓存”。数据必须通过被读取来证明其价值，才有资格占用昂贵的缓存空间。而对于写入，则采用“懒惰”策略，批量写回，以最大化效率和性能。
• 它的核心价值： 完美契合了大多数应用程序的“读多写少” 的访存特征，在高性能、低带宽消耗和低功耗之间取得了最佳平衡。
• 它的普遍性： 你个人电脑、手机里的 CPU，其默认的内存访问模式几乎都是这种策略。它是让现代计算得以高效运行的无声功臣之一。