嵌入式 SoC 与接口 21：Cache、一致性与可见性

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CPU 看见的新值不一定已被设备看见

CPU 可以在 cache 中修改数据，而 DDR 中仍保留旧副本。非一致性设备读取内存时未必自动观察到 CPU 最新修改；反过来设备写入后，CPU 也可能继续使用旧缓存行。

多核硬件缓存一致性与 CPU—设备一致性不是同一个承诺。即使平台声明 coherent，也仍需要遵守提交顺序与缓冲所有权，不能让生产者修改消费者正在读取的内容。

同步动作必须匹配方向与阶段

Linux DMA API 按平台处理映射与同步，驱动应使用正确方向，并在 CPU 和设备之间转交所有权。不要手写一段通用 cache flush 就认为适用于所有体系结构。

cache line 往往比业务字段大。两个独立对象共享一行时，清理或失效操作可能影响相邻对象；对齐约束与共享粒度需要考虑。多核中的 false sharing 还可能让本来无关的频繁更新互相干扰。

可见不等于有序

“看到完成标志”应保证对应数据也已按协议发布。release/acquire、设备屏障和 DMA 同步各自作用于不同边界，不能互相代替。先画状态转换，才知道哪一方可以在何时访问哪块数据。

Cache、一致性与可见性：CPU cache、所有权转移、设备可见性

练习与参考结论

离线模型设置 CPU cache=新值、内存=旧值，观察设备读取结果；再模拟归还给 CPU 前的同步。模型不模拟真实 cache 指令，只揭示两份副本与所有权。

参考检查：提交后 CPU 不继续改输入，完成后设备不继续写已交给 CPU 的输出，缓冲再次提交前所有消费者都已释放。

配套代码

下载包包含独立运行所需文件，使用 Python 标准库；这里验证机制和计算，不代表开发板测量结果。

运行本课机制与计算示例

查看完整代码：main.py

"""两份副本的教学模型，不模拟真实 cache 指令或 DMA API。"""


class Buffer:
    def __init__(self):
        self.memory = 0
        self.cache = 0
        self.owner = "CPU"

    def cpu_write(self, value):
        if self.owner != "CPU":
            raise RuntimeError("device owns buffer")
        self.cache = value

    def hand_to_device(self):
        self.memory = self.cache
        self.owner = "DEVICE"

    def device_write(self, value):
        if self.owner != "DEVICE":
            raise RuntimeError("CPU owns buffer")
        self.memory = value

    def hand_to_cpu(self):
        self.cache = self.memory
        self.owner = "CPU"


def main():
    buffer = Buffer()
    buffer.cpu_write(42)
    assert buffer.memory == 0
    buffer.hand_to_device()
    assert buffer.memory == 42
    try:
        buffer.cpu_write(99)
    except RuntimeError:
        pass
    else:
        raise AssertionError("ownership check missing")
    buffer.device_write(84)
    assert buffer.cache == 42
    buffer.hand_to_cpu()
    assert buffer.cache == 84
    print(
        "stale memory/cache demonstrated; synchronized ownership result:", buffer.cache
    )


if __name__ == "__main__":
    main()

下载代码

在项目根目录执行；下载包解压后，在解压目录执行 python3 main.py。

cd 'content/posts/驱动、bootloader、文件系统/嵌入式SoC与接口/21-Cache、一致性与可见性/code' && python3 main.py