Virtually Indexed Physically Tagged

Background

  Cache的组织形式有多种，如VIVT，VIPT，PIPT等，每个都有各自的优缺点。本文主要研究下现代CPU中比较常用的VIPT。

  VIPT的优点如下：

• 减少地址转换开销‌：VIPT缓存使用虚拟地址作为索引，物理地址作为标签。这意味着在进行缓存查找时，不需要进行虚拟地址到物理地址的转换，从而减少了地址转换的开销，提高了缓存查找的效率‌
• 减少cache失效‌：当虚拟地址到物理地址的映射关系发生变化时，使用物理地址作为标签可以避免需要清理和无效化缓存的情况，这对于多任务系统尤其有利，因为它减少了因页表映射更改而导致的性能损失‌
• 适用于多任务系统‌：在多任务系统中，频繁修改页表映射是常见的操作。VIPT缓存的设计使得在这种环境下能够保持较高的性能，因为它避免了因页表修改而导致的cache失效问题‌

  缺点就是有Aliasing问题，就是同一块物理地址映射到了多个虚拟地址上。通过不同的虚拟地址都可以访问这块物理地址，这样有可能在cache中因为不同的虚拟地址会同时存在多份该地址数据的备份，从而出现数据同步的问题。

  而解决办法就是增加alias avoidance logic。在Arm Cortex-A系列芯片中，有部分使用了PIPT。鉴于VIPT的的优势，也有不少芯片选择了VIPT。比如以下芯片的的TRM中做了这样的描述。

A55:
The L1 data cache is organized as a Virtually Indexed Physically Tagged (VIPT) cache, with alias avoidance logic so that it appears to software as if it were physically indexed.

A73:
A Virtually Indexed Physically Tagged (VIPT) Level-1 (L1) data cache, which behaves as either an eight-way set associative cache (for 32KB configurations) or a 16-way set associative PIPT cache (for 64KB configurations).

A78:
Virtually Indexed, Physically Tagged (VIPT) 4-way set-associative L1 instruction cache, which behaves as a Physically Indexed, Physically Tagged (PIPT) cache
Virtually Indexed, Physically Tagged (VIPT), which behaves as a Physically Indexed, Physically Tagged (PIPT) 4-way set-associative L1 data cache

Experiment

  正好手边有A55的板子，接下来做个实验来看下实际操作的结果。   第一个实验现在单个CPU上操作，如下：

  上面的实验中：

1. 把物理0x6000000的地址分别映射到了虚拟地址的0x7000000和0x8000000
2. 读出0x70000000和0x8000000的值均为0xd7e5ebd9
3. 写0xa55a5aa5到0x7000000
4. 读取0x8000000地址的值，读出为0xa55a5aa5
     符合预期

  第二个实验在多个CPU间进行：

1. CPU0: 把物理0x6000000的地址分别映射到了虚拟地址的0x7000000
2. CPU1: 把物理0x6000000的地址分别映射到了虚拟地址的0x8000000
3. 其中enable CPU0和CPU1的MMU，而保持CPU2的MMU disabled
4. 通过CPU2写0xdeadbeaf到0x6000000
5. 在CPU0和CPU1上分别读0x7000000和0x8000000的值，均为0xdeadbeaf，该值已保存在cache中
6. 切换到CPU0，写0xa55a5aa5到0x7000000，读取验证写成功
7. 切至CPU1，读取0x8000000，读取值为0xa55a5aa5，证明alias问题在多CPU间也解决了，符合预期
8. 再切至CPU2，读取0x6000000，值仍然为0xdeadbeaf，证明cache没有被刷回DDR，也符合预期

Conclusion

  通过上述实验可知，Arm虽然使用了VIPT，但通过增加alias avoidance logic解决了alias问题，同时利用了VIPT的优势。特别是在经常跑多任务的Cortex-A系列芯片中，可以很大的提高性能。

Reference

VIPT
What is VIPT behaves as PIPT