芯片工程师求职题目之CPU篇(3)

1. 什么是cache(缓存)？它的工作原理是什么？

Cache是少量的快速内存。它位于主存储器和中央处理器之间。每当CPU请求memory位置的内容时，首先检查cache中是否有此数据。如果数据存在于cache中，CPU直接从cache中获得数据。这是更快的，因为CPU不需要去memory拿数据。如果数据不在cache中，则从memory读取一块内容到cache中，然后传递所需的数据块给CPU。当一个地址在cache中被查找时，如果缓存中包含该地址的内容，它就被称为cache命中。反之称之为cache丢失。

2. 在有cache使能的机器上，在链表(linked list)中搜索数据与在向量(vector)中搜索数据的程序的性能会有差异吗？

链表是一种将元素存储在非连续内存位置的数据结构，而向量是一种将元素存储在连续位置的数据结构。

对于使用cache的设计：如果一个内存位置存在于cache中，那么很有可能其它连续字节也会存在于cache中，因为从主存到cache的任何读取通常都是根据cache line(通常是32或64或128字节)进行的。正因为如此，在有cache的机器上，搜索向量比搜索链表要快。

3. 将memory映射到cache的不同方法有哪些？比较每种方法的优缺点。

有3种主要的映射技术用于映射memory和cache的内容。在每一种映射中，memory和cache被话费为很多块(cache line，通常为64字节大小)，这是用于映射的最小大小。

• 直接映射：在直接映射中，memory中每个块只能映射到cache的一个特定块中。这是所有映射中最简单的，通过知道memory地址，可以很容易计算出cache中可能位置，并且仅与单个位置的标记位进行比较就可以算出是否命中cache。这种映射的缺点是，即使cache可能未满，但如果memory访问是在同一块中的地址，则可能导致更多的替换并且效率不高。
• 全相联映射：在全相联映射中，任何memory块都可以映射到cache中的任何块。这种方式的优点是cache的所有位置都可以被充分利用，命中率高。但是成本高，查找是否命中最慢。
• 组相联映射：它是直接映射和全相联映射的折中，在组相联映射中，cache块被分为若干个块集合。memory地址与cache地址的映射转换有两部分，组地址是按直接映射方式，按地址进行访问，而块地址是采用全相联方式，按内容访问。这种映射的优点是cache块的冲突概率比较低，块的利用率大幅度提高，块失效率明显降低。但是实现难度和造价都要比直接映射高。不过，现在这种映射在cache实现中使用最为广泛。

4. 4路组相联映射的cache的总大小为256KB。如果每个cache块(cache line)的大小是64字节，那么cache中有多个集合(cache set)？假设地址位宽为32-bit，需要多少地址位作为标签位(tag)？

Cache的块总数 = (256*1024)/64 = 4096。因为cache是4路组相联，集合数 = 4096/4 = 1024。给定一个32位的地址(address)和64字节的cache块，address[5:0]用于索引cache块内部的字节，address[15:6]被用来找出哪一组地址映射。剩余的address[31:16]用作标签位，也就是16位。

5. Write-through和write-back的cache区别是什么？各有什么优缺点？

Write-through cache：在write-through cache中，每个对cache的写操作同时也写入memory。这很容易设计，因为相对于cache而言，memory总是最新的，但缺点会经常占用memory带宽。

Write-back cache：在write-back cache中，每次对cache的写操作都只写到cache中。写memory被延迟，直到cache块被替换掉。Write-back cache在memory带宽使用上更友好，因为数据只在需要时才写回memory。但如果系统中有多个cache可以缓存相同的地址，那么维护一致性的数据就会变得复杂，因为内存可能并不总是有最新的数据。

6. Inclusive cache和exclusive cache有什么不同？

Cache的inclusive和exclusive属性适用于具有多个cache级别的设计，例如包含L1、L2和L3 cache。

如果L1 cache中存在的所有内容被设计为也存在于L2 cache中，则L1 cache称为inclusive cache。如果保证所有的内容最多只存在于一个L1或L2 cache中，而不同时存在于两个cache中，那么这些cache就称为exclusive cache。Exclusive cache的优点是多级cache可以一起存储更多的数据。Inclusive cache的优点是，在多处理器系统中，如果必须从处理器的cache中删除一个cache块，则只需要在L2 cache中检查它就行，而对于exclusive cache，则必须检查它是否存在于L1和L2 cache中。