PolarFire® SoC L2 cache 如何划分成 lim 和 scratchpad

 PolarFire® SoC 产品概述

灵活的2 MB L2存储器子系统，其SECDED可配置为：

– 16路组关联L2高速缓存

– 松散集成存储器（Loosely Integrated Memory，LIM）模式用于确定性访问

– 高速暂存存储器一致性模式，可跨内核共享消息

 

首先，理解这三个术语在 PolarFire SoC 上下文中的含义至关重要：

1. L2 缓存 (L2 Cache):

   • 默认情况下，所有通过 AXI 主设备（如 CPU 集群、DMA 等）对 DDR 内存的访问都会经过这个 2048 KB 的 L2 缓存，以利用其局部性原理提升平均性能。

   • 但是，缓存的行为是非确定性的。你无法预知一次内存访问是命中缓存（快）还是未命中缓存（需要从 DDR 读取，慢）。

2. 紧耦合存储器 (LIM):

   • 这是从 L2 缓存空间中划出的一块区域，它不再作为缓存使用。

   • 对 LIM 区域的访问是完全确定性的（即恒定的低延迟），因为它绕过了所有的缓存分配、查找和淘汰逻辑，就像直接访问一块快速的片上 SRAM 一样。

   • 用途：存放对实时性要求极高的代码或数据，例如中断服务程序 (ISR)、实时任务的关键数据段，确保其执行时间不受缓存未命中的影响。

3. Scratchpad:

   • 本质上，Scratchpad 和 LIM 在物理上是同一块内存。它们都是被划分出来不再用作缓存的空间。

   • 关键区别在于 MPU（内存保护单元）的配置和使用模型。

   • Scratchpad 通常被配置为一个共享的内存区域，可以被多个主设备（如 CPU0, CPU1, DMA）直接读写和共享数据，而无需通过缓存一致性协议（因为它是非缓存的）。

   • 用途：多核间通信的共享缓冲区、DMA 数据传输的临时工作区、或者作为一块所有主设备都能快速访问的通用 SRAM。

简单来说：LIM 和 Scratchpad 是同一硬件资源（被划分出的 L2 空间）的两种不同用途和配置方式。 LIM 更强调“专有”和“确定性”，而 Scratchpad 更强调“共享”和“通信”。

 

打开 mss config 软件：LIM  和 scratchpad   内存如何划分

 

为什么要把缓存物理上分成这么多路？主要有两个关键原因：

1. 减少缓存冲突，提高命中率（核心目的）

如果缓存是直接映射（1-Way，每个组只有一路），那么很多内存地址会映射到同一个组的唯一槽位，导致频繁的冲突和缓存行替换。16路组相联给了缓存更多的灵活性：一个内存地址可以放在对应组的 16 个位置中的任何一个。这大大降低了冲突概率，从而提高了缓存命中率，提升了系统性能。

2. 支持缓存锁定（Cache Locking） - 这是 PolarFire SoC 的关键特性

这是 WAY0~WAY15 概念对开发者最可见的地方。你可以将某一整路或几路缓存“锁定”。

• 工作原理： 你可以通过配置 L2 缓存控制器（PL2C）的寄存器，将特定的路（例如 WAY0 和 WAY1）设置为锁定模式。

• 锁定后： 被锁定的路不再参与常规的缓存替换算法（如 LRU）。一旦关键代码或数据被加载到锁定的路中，它们就会一直留在缓存里，永远不会被淘汰。

• 好处： 这为对实时性要求极高的代码（如中断处理程序 ISR）或关键数据提供了绝对确定性的、极低延迟的访问，因为CPU每次访问它们都必然命中缓存。

• 如何操作： 通常，你需要：

  1. 在 Libero SoC 中使能 L2 缓存锁定功能。

  2. 在软件（通常是 Bootloader）中，通过写 PL2C 的 Way Locking 相关控制寄存器（例如 PL2C_L2C_WAY_CFG）来指定要锁定的路（例如，锁定 WAY0 和 WAY1）。

  3. 将你需要锁定的函数或数据（通过编译器特性）放到一块特定的内存区域。

  4. 在系统地址映射中，将这块内存区域映射到 L2 缓存控制器的地址范围，并确保其属性为“可缓存”。

  5. 当代码执行时，这些内容就会被加载到锁定的 WAY0 和 WAY1 中，并永久驻留。