C易失变量和缓存存储器

Question

缓存是由高速缓存硬件透明地控制到处理器上的，所以如果我们在C程序中使用易失性变量，如何保证我的程序每次从指定的实际内存地址读取数据，而不是缓存。

我的理解是，

1. 可变关键字告诉编译器，变量引用不应该被优化，应该按照代码中的编程来读取。
2. 高速缓存是由高速缓存硬件透明地控制的，因此当处理器发出地址时，它不知道数据是来自缓存还是来自内存。

因此，如果我需要每次都必须读取内存地址，那么如何确保它不是从缓存引用的，而是来自所需的地址？

有些怎么说，这两个概念并不能很好地结合在一起。请澄清它是如何做到的。

(想象一下我们在缓存中有回写策略(如果需要分析问题))

谢谢你，微内核:)

Answer 1

固件开发人员在这里。这是嵌入式编程中的一个标准问题，也是许多(甚至是非常有经验的)开发人员遇到的问题。

我的假设是，您正在尝试访问硬件寄存器，并且寄存器值会随着时间的推移而改变(无论是中断状态、计时器、GPIO指示等等)。

volatile关键字只是解决方案的一部分，在许多情况下可能没有必要。这会导致每次使用变量时都会从内存中重新读取变量(而不是由编译器优化，或者通过多个用途存储在处理器寄存器中)，但是“正在读取的内存”是实际的硬件寄存器还是缓存的位置，您的代码不知道，并且不受volatile关键字的影响。如果您的函数只读取寄存器一次，那么您可能可以关闭volatile，但作为一般规则，我建议大多数硬件寄存器应该定义为volatile。

更大的问题是缓存和缓存一致性。这里最简单的方法是确保您的寄存器位于未缓存的地址空间中。这意味着每次访问寄存器时，都保证读取/写入实际的硬件寄存器，而不是缓存内存。一种更复杂但可能更好的方法是使用缓存的地址空间，并让您的代码手动强制对特定情况进行缓存更新。对于这两种方法来说，这是如何实现的，是依赖于体系结构的，超出了问题的范围。它可能涉及MTRRs (用于x86)、MMU、页表修改等。

希望这能有所帮助。如果我错过了什么，让我知道，我会扩大我的答案。

Answer 2

从你的问题上看，你有一种误解。

正如您所描述的，Volatile关键字与缓存无关。

当为变量指定关键字volatile时，它会提示编译器不要执行某些优化，因为该变量可能会意外地从程序的其他部分更改。

这里的意思是编译器不应该重用已加载在寄存器中的值，而是再次访问内存，因为寄存器中的值不能保证与存储在内存中的值相同。

与缓存内存有关的其他内容与程序员没有直接关系。

我的意思是CPU的任何高速缓存内存与RAM的同步是一个完全不同的主题。

Answer 3

我的建议是将页面标记为虚拟内存管理器未缓存的页面。

在Windows中，这是通过调用PAGE_NOCACHE时设置VirtualProtect来完成的。

出于某种不同的目的，SSE 2指令有防止缓存污染的_mm_stream_xyz指令，尽管我认为它们不适用于这里的情况。

在任何一种情况下，在C中都没有可移植的方式来实现您想要的；您必须使用OS功能。