本文以Cortex-A53處理器為例，通過(guò)訪問(wèn) 處理器中的 內(nèi)部存儲(chǔ)單元 （tag RAM和dirty RAM），來(lái)讀取cache line 中的MOESI信息。

Cortex-A53提供了一種通過(guò)讀取一些系統(tǒng)寄存器，來(lái)訪問(wèn)Cache 和 TLB使用的一些內(nèi)部存儲(chǔ)單元的機(jī)制。這個(gè)功能可以探查出當(dāng)緩存中的數(shù)據(jù)與主存中的數(shù)據(jù)不一致時(shí)存在的問(wèn)題。

此外，A64模式和A32模式的讀取方式不同：

當(dāng)處理器處于A64模式時(shí)，先通過(guò)一些只寫(xiě)（write-only）寄存器來(lái)選擇具體的cache line和內(nèi)存地址，然后通過(guò)只讀寄存器來(lái)讀取具體的tag信息。下圖為相關(guān)寄存器以及相關(guān)操作指令，需要注意的是，這些操作只在EL3時(shí)可用，如果在其他模式下使用這些指令，將會(huì)進(jìn)入U(xiǎn)ndefined Instruction 異常。

當(dāng)處理器處于A32模式下時(shí)，先通過(guò)一些只寫(xiě)（write-only）CP15寄存器來(lái)選擇具體的cache line和內(nèi)存地址，然后通過(guò)只讀CP15寄存器來(lái)讀取具體的tag信息。下圖為相關(guān)寄存器以及相關(guān)操作指令，需要注意的是，這些操作只在EL3時(shí)可用，如果在其他模式下使用這些CP15指令，將會(huì)進(jìn)入U(xiǎn)ndefined Instruction 異常。

接下來(lái)，本文以Cortex-A53的Data cache為例，讀取其某個(gè)cache line的tag信息，其具體的步驟很簡(jiǎn)單，分為兩步：

• 寫(xiě)入Data Cache Tag Read Operation Register，寫(xiě)入的內(nèi)容為具體的Set和way信息，通過(guò)way index和set index來(lái)定位到想要讀取的cache line。
• 讀取相應(yīng)的 Data Register 0 和 Data Register 1寄存器，通過(guò)對(duì)Data Register寄存器里面的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，來(lái)獲取tag 信息。其他信息，比如Data cache 的data信息，Instruction Cache的data或者tag信息，以及TLB的data信息，都可以用這種方式讀取得到。

Step1：將Set/way信息寫(xiě)入Data Cache Tag Read Operation Register

首先，我們需要從一個(gè)虛擬地址（VA）中解析出Set index信息。

下圖為Cortex-A57的4-way組相連的32KB大小的data cache結(jié)構(gòu)，其cache line大小也為64 bytes，從圖中可知，一個(gè)VA可以被分成幾個(gè)部分：Tag，Set index，word index以及byte index。其中Set index = VA[13:6]。

在另一個(gè)實(shí)例中，32KB大小的4-way組相連data cache，cache line大小為32 bytes，其Set index = VA[12:5]：

Cortex-A53的Data cache為4-way 組相連結(jié)構(gòu)。假設(shè)其為32KB，一個(gè)cache line的大小為64 bytes，我們就可以求出該data cache中有 32 KB / 64 B / 4 = 2^7 = 128個(gè)set（組），也就是說(shuō)至少需要7個(gè)bit才能完整解析出具體的set index。如下圖所示，可以通過(guò)公式：

S = log2(Data cache size / 4).

來(lái)計(jì)算出Set index的范圍：Set index = VA[12:6]。

由于是4-way 組相連結(jié)構(gòu)，cache line 可以存在與任意一個(gè)way中，所以我們的cache way可能為0，1,2，3中任意一個(gè)數(shù)字。

求得了set和way的index后，需要對(duì)其進(jìn)行編碼，然后寫(xiě)入到Data Cache Tag Read Operation Register寄存器中。其編碼規(guī)則如下圖所示，只需將Set和way的值寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的bit中即可，其中Rd[5:3]為cahche double word數(shù)據(jù)的偏移量，由于本次示例是讀取tag信息，所以Rd[5:3]為0即可。

所以我們要寫(xiě)入Data Cache Tag Read Operation Register的Rd的值可以通過(guò)以下代碼獲?。?/p>

unsigned int get_Rd_data(int * VA, way_num)
{
  unsigned int set_way_index = VA | 0x1FC0; //get way index, VA[12:6]
  set_way_index |= way_num < 30; //way_num could be 0,1,2,3 
  return set_way_index;
}

Rd中除了Set和way信息，其他值均為0，0x1FC0為VA[12:6]全為1的情況：

然后我們使用CP15寄存器將Rd的值寫(xiě)入，假設(shè)Rd為R0：

MCR p15, 3, r0, c15, c2, 0   ; r0 = get_Rd_data(VA,way_num)

Step2：讀取Data Register 1和Data Register 0數(shù)據(jù)并解碼

將Set/way信息寫(xiě)入Data Cache Tag Read Operation Register 后，相當(dāng)于選擇了想要操作的cache line，接下來(lái)我們將讀取Data Register 1和Data Register 0的數(shù)據(jù)來(lái)獲取該cache line里的tag信息，除了tag信息外，我們還可以從Data Register 1和Data Register 0兩個(gè)寄存器中獲?。?/p>

• MOESI 狀態(tài)信息
• outer內(nèi)存屬性
• valid 信息

可獲得的信息具體見(jiàn)下圖：

需要注意的是，如果是想獲取MOESI狀態(tài)信息，則需要兩個(gè)寄存器配合使用，即讀取Data Register 0 [1:0]以及Data Register 1 [30:29] ，Data Register 0 [1:0]里的為來(lái)自Dirty RAM的部分狀態(tài)信息，Data Register 1 [30:29]里的為來(lái)自tag RAM的部分MOESI信息，

其具體的組合見(jiàn)下圖：

比如讀取到的Data Register 0 [1:0]為1，以及Data Register 1 [30:29]也為1，根據(jù)上圖的組合關(guān)系，可知當(dāng)前cache line的MOESI狀態(tài)為 SharedDirty（O）。

示例代碼如下：

; step 1: write set index and way num into Data Cache Tag Read Operation Register
MCR p15, 3, r0, c15, c2, 0   ; r0 = get_Rd_data(VA,way_num)
; step 2: read Data Register 1 and Data Register 0
MCR p15, 3, r1, c15, c0, 0   ;r1 =  Data Register 0 
MCR p15, 3, r2, c15, c0, 1   ;r2 =  Data Register 1