计算机组成原理——cache

3.4cache

出自up主Beokayy传送门

1.局部性原理

• 时间局部性：
  • 在最近的未来要用到的信息，很可能是现在正在使用的信息，因为程序中存在循环。
• 空间局部性：
  • 在最近的未来要用到的信息，很可能与现在正在使用的信息在存储空间上是邻近的，因为指令通常是顺序存放、顺序执行的。
  • 数据也一般是以向量、数组形式簇聚地存储在一起的。
• 时间局部性好，例如数组元素经常被反复访问，例如出现循环指令：

for(i = 0; i <= 9; i++){temp = 1;for(j = 0; j <= i; j++)temp *= a[j];sum += temp;
}

• 空间局部性好，即访问顺序与存放顺序一致：

程序A

int func(int a[M][N]){int i, j, sum = 0;for(i = 0; i < M; i++)for(j = 0; j < N; j++)sum += a[i][j];return sum;
}

程序B

int func(int a[M][N]){int i, j, sum = 0;for(j = 0; j < N; j++)for(i = 0; i < M; i++)sum += a[i][j];return sum;
}

• 若按行存储，则存储顺序为a[0][0], a[0][1], a[0][2]……。
• 程序A的访问顺序为a[0][0], a[0][1], a[0][2]……，程序B的访问顺序为a[0][0], a[1][0], a[2][0]……。故程序A的空间局部性好，程序B的空间局部性差。

2.cache的工作原理

cache的组成

• 为便于cache和主存交换信息，cache和主存会被划分成大小相等的块，每块由若干字节组成。
• 由于cache容量远小于主存容量，故cache中的块数远少于主存中的块数，仅保存主存中最活跃的若干块的副本。
• CPU与cache之间的数据交换以字为单位，cache与主存之间的数据交换以cache块为单位。

cache的命中率

• CPU与访问的信息已被放入cache中的比率即为cache的命中率。
• 命中率H=Nc/(Nc+Nm)：
  • cache的总命中次数为Nc。
  • 访问主存的次数为Nm。
• cache - 主存系统的平均访问时间Ta=Htc+ (1-H) tm：
  • cache命中率为H。
  • 命中时访问cache的时间为tc。
  • 未命中时的访问时间为tm。

CPU在cache中的访问过程

cache地址与主存地址的关系

cache行的内容

• 标记位：
  • 和主存地址划分的标记位完全一样，作用是精准匹配cache行和其对应的主存块。
• 有效位：
  • 1bit，说明cache中存放的数据是否有效，有效位为1时表示cache行有效。
• 脏位：
  • 1bit，使用回写法时才有脏位，脏位为1时表示该cache行中的数据被修改过，替换时需要写回主存。
• 替换算法控制位：
  • 随机算法：0bit。
  • LRU/FIFO：log2（路数）bit。

3.cache和主存的映射方式

直接映射

• 基本思想：把主存每一块映射到一个固定的cache行中。
• 映射关系：cache行号=主存块号%cache行数。
• 主存地址结构：
  
  • 主存块号被分解成标记字段和cache行号字段，块内地址的划分不变。
  • 假设cache共有$2^c$行，主存共有$2^m$块，主存块大小占$2^b$字节，按字节编址，则cache行号占c位，主存块号占m位，块内地址占b位，而标记字段占m - c位。
• 只有标记位相同且有效位为1时，cache才命中。
• cache不命中时，CPU会从主存读出该地址所在的主存块，并把信息送到直接映射对应的cache行中，将有效位置1，并将标记设置为地址中的高t位，同时将该地址中的内容送往CPU。

全相联映射

• 基本思想：主存中的每一块可以装入cache中的任何位置，每一行的标记用于指出该行取自主存的哪一块
• 主存地址结构：
  

组相联映射

• 基本思想：将cache分为$Q$个大小相同的组，每个主存块可装入固定组中的任意一行。每组有$r$个cache行，则称为$r$路组相联。
• 映射关系：cache组号=主存块号%cache组数。
• 主存地址结构：
  

4.cache的替换算法

近期最少使用算法LRU

• 依据局部性原理，选择近期内长久未访问过的cache行作为替换的行

随机算法

• 随机确定替换的cache块

先进先出算法FIFO

• 选择最早调入的cache行进行替换

5.cache写策略

全写法+非写分配法

• 全写法：
  • cache写命中时，必须把数据同时写入cache和主存。
  • 当某一块需要替换时，不必把这一块写回主存，用新调入的块直接覆盖即可。
• 非写分配法：
  • cache写不命中时，只对主存中的块进行修改，而不调入cache。

回写法+写分配法

• 回写法：
  • cache写命中时，只把数据写入cache，而不立即写入主存，只有当该块被换出时才写回主存。
  • 为了避免不一致隐患，引入脏位（修改位）。若脏位为1，则说明对应cache行中的块被修改过，替换时需要写回主存；若脏位为0，则说明对应cache行中的块未被修改过，替换时无需写回主存。
• 写分配法：
  • cache写不命中时，将对应主存块调入cache中，再修改这个cache块