通過(guò)C代碼和Intel手冊(cè)詳細(xì)理解cache參數(shù)

Cache的容量一般都很小，即使是最大的三級(jí) Cache（L3）也只有20MB ～30MB。cache加快了CPU對(duì)內(nèi)存的讀寫(xiě)速率，CPU第一次執(zhí)行需要將數(shù)據(jù)時(shí)候需要從主存-->L3 Cache--->L2 Cache -->L1 Cache傳遞到CPU的計(jì)算單元。cache分成多個(gè)組，每個(gè)組分成多個(gè)行，linesize是cache的基本單位，從主存向cache遷移數(shù)據(jù)都是按照l(shuí)inesize為單位替換的。下面通過(guò)C代碼和Intel手冊(cè)詳細(xì)理解cache參數(shù)。

Intel CPU可以通過(guò)CPUID命令獲取cpu相關(guān)信息，查詢Intel可以獲取到相應(yīng)的指令信息，獲取cache 參數(shù)有下面兩種方法：分別是當(dāng)CPUID指令I(lǐng)nitial EAX Value為0x02和0x04時(shí)候，由于方法一種CPUID指令的入口參數(shù)存放在EAX寄存器中，所以獲取cache信息需要給EAX寄存器賦值為0x02，然后分別讀取EAX、EBX、ECX、EDX四個(gè)寄存器得到Cache and TLB Information。查看Intel手冊(cè)（圖1）得到方法一的指令碼。

圖1

參考Linux內(nèi)核中header.c文件中的cpuid函數(shù)實(shí)現(xiàn)獲取cache代碼函數(shù)，圖2有兩種方式實(shí)現(xiàn)獲取cache函數(shù)，原理都是一樣，賦值然后讀取值。

圖2

本次試驗(yàn)采用gcc 4.7.2版本編譯程序并且運(yùn)行得到如下結(jié)果:

d_eax : 55035a01

d_ebx : f0b2de

d_ecx : 0

d_edx : 9ca212c

查看intel 手冊(cè)可以得到每個(gè)字節(jié)的解釋?zhuān)琫bx寄存器中低八位查表得到如圖3所示相關(guān)信息，3級(jí)cache 容量6M,12路組相連（每組有12個(gè)line），每個(gè)line大小為64 字節(jié)。其它信息查表得到如下：

EAX：

(55h) Instruction TLB: 2-MB or 4-MB pages, fully associative, 7 entries

(03h) Data TLB: 4-KB Pages, 4-way set associative, 64 entries

(5Ah) Data TLB0: 2-MB or 4-MB pages, 4-way associative, 32 entries

(01h) Instruction TLB: 4-KB Pages, 4-way set associative, 32 entries

EBX:

(F0h) 64-byte Prefetching

(B2h) Instruction TLB: 4-KB pages, 4-way set associative, 64 entries

(DEh) 3rd-level cache: 6-MB, 12-way set associative, 64-byte line size

EDX:

(09h) 1st-level Instruction Cache: 32-KB, 4-way set associative, 64-byte line size

(CAh) Shared 2nd-level TLB: 4-KB pages, 4-way set associative, 512 entries

(21h) 256KB L2 (MLC), 8-way set associative, 64-byte line size

(2Ch) 1st-level data cache: 32-KB, 8-way set associative, 64-byte line size

從上面信息得到當(dāng)前CPU的cache信息如下:

L1 Cache : 32KB , 8路組相連，linesize為 64Byte 64個(gè)組

L2 Cache：256KB 8路組相連，linesize為 64Byte 512個(gè)組

L3 Cache：6MB 12路組相連，linesize為 64Byte 8192個(gè)組

圖3

獲取cache參數(shù)的另外一種方法，查閱Intel手冊(cè)（圖4）得到當(dāng)CPUID的Initial EAX Value為0x04時(shí)得到cache十六進(jìn)制數(shù)，在根據(jù)圖4中的編碼信息獲取cache詳細(xì)參數(shù)，執(zhí)行該CPUID命令時(shí)還需要設(shè)置另外一個(gè)入口參數(shù)ECX,ECX寄存器設(shè)置我們需要查詢哪一個(gè)cache ，ECX的輸入與cache對(duì)應(yīng)如下：

0：L1D

1：L1I

2：L2

3：L3

圖4

執(zhí)行CPUID Initial EAX Value 等于0x04時(shí)，返回的EAX、EBX、ECX、EDX寄存器值得位信息如圖5所示。

圖5

EAX[4:0]=1，表示這是一個(gè)數(shù)據(jù)Cache。EAX[7:5]=1，表示該Cache的級(jí)別為1，即為L(zhǎng)1D。EAX[8]=1表示該Cache處于自初始化的Cache層（Seache Level）。EAX[9]=0，表示此Cache不是全相聯(lián)Cache。EAX[25:14]=1表示能夠共享此Cache的最大線程數(shù)為2。EAX[31:26]=15，表示這個(gè)處上，最多支持16個(gè)核心。EBX[11:0]=63表示Cache LineSize為64字節(jié)。EBX[21:12]表示此Cache不支持硬件Cache Line分區(qū)。EBX[31:22]=7，表示此Cache為8路組相聯(lián)

7表示此Cache的組數(shù)為8組。

獲取L3 cache詳細(xì)參數(shù)代碼如圖6所示:

圖6

代碼運(yùn)行結(jié)果如下:

d_eax : 163

d_ebx : 2c0003f

d_ecx : 1fff

d_edx : 6

計(jì)算L3 cache容量公式如下:

Size = (Ways + 1) * (Partitions + 1) * (Line_Size + 1) * (Sets + 1)

= (EBX[31:22] + 1) * (EBX[21:12] + 1) * (EBX[11:0] + 1) * (ECX + 1)

=(0x2c0003f>>22+1)*((0x2c0003f&0x003FF000)>>12+1)*(0x2c0003f&0x00000FFF+1)*(0x1fff+1)

= 6291456 B=6144 K=6M

獲取其它c(diǎn)ache 只需要修改傳入cpuid的ecx參數(shù)，如果需要獲取CPU的其它信息，可以查看Intel 指令手冊(cè)修改傳入EAX參數(shù)的值