Cache结构

Cache

cache的一般设计

超标量处理器每周期需要从Cache中同时读取多条指令，同时每周期也可能有多条load/store指令会访问Cache，因此需要多端口的Cache

• L1 Cache：最靠近处理器，是流水线的一部分，包含两个物理存在 指令cache（I-Cache）和数据cache（D-Cache），I-Cache只读，D-Cache可读可写。追求 快
  • I-Cache：需要能够每周期读取多条指令
  • D-Cache：需要指出每周期有多条load/store指令的访问（多端口设计）
• L2 Cache 指令和数据共享，主要功能：尽可能保存更多内容 追求 全
  • 访问频率不是很高（L1 Cache命中率比较高）
  • 不需要多端口设计，延迟也不是特别重要
  • 需要有较高的命中率

Cache主要由 Tag部分 和 Data部分 组成，如下图所示：

3C定理（影响Cache缺失的因素）：

• Compulsory
  • 第一次被访问的指令或数据一定会导致 Cache Miss
  • 缓解方法：预取 prefetching
• Capacity 容量
• Conflict
  • 组相连Cache，Cache set大小 小于 频繁使用的数据的数量
  • 缓解：victim cache

Cache的三种实现方式（组织方式）：直接映射、组相连映射、全相连映射

• TLB 和 victim Cache：全相连
• I-Cache 和 D-Cache：组相连

1. 直接映射
   
2. 组相连

定义：每个数据块有 n 个位置可放的组相联 cache 称为 n 路组相连 cache；主存中的每个数据块通过索引位映射到 cache 中对应的组，数据块可以存放在该组中的 任意位置

索引位用来选择访问数据所在的组，该组内所有数据块的标签都需要比较（并行比较）

如果cache容量保持相同，增加相联度可以增加每组内数据块的数量；相联度以 2 的幂递增，索引的位长将减少 1，标签的位长将增加 1

基本实现方式：

• 并行访问 Tag SRAM 和 Data SRAM 及 访问流水线
  • 同时访问
    
  • 将整个cache访问放到几个周期完成，降低处理器的周期时间，较低的时钟频率和较大的功耗
    
• 串行访问 Tag SRAM 和 Data SRAM 及 访问流水线
  • 依次访问，不再需要多路选择器，只需访问指定的SRAM，节省功耗
    
  • load指令延迟更大（访问增加了一个周期）
    

3. 全相连
   • 用CAM存tag，用SRAM存数据
   • 缺失率最低，延迟最大，不会有很大容量，TLB

Cache的写入

• 写命中
  • 写通（Write Through）
    • 数据写到D-Cache的同时，也写到下级存储器中（如L2 Cache中）
  • 写回（Write Back）
    • 执行store指令时，数据写到D-Cache后，只是将被写入的cache line做一个标记（dirty 脏状态），当被标记的cache line要被替换时，才将其写入下级存储器中
• 写缺失
  • non write allocate
    • 将数据直接写入下级存储器，不写入D-cache中
  • write allocate
    • 首先从下级存储器中取出发生缺失的地址对应的整个数据块，将要写入到D-Cache中的数据合并到这个数据块中，然后将这个数据块写入到D-cache中
    • 为了保持存储器的一致性，要将这个数据块写入下级存储器，有两种方式
      • 写通
      • 写回
• 一般 write through 配合 Non-Write Allocate 使用
  
• Write Back 配合 Write Allocate 使用
  

Cache的替换策略

• LRU 近期最少使用法
  • 伪LRU，将所有way进行分组，每一组使用一个1位的年龄部分
    
• 随机替换
  • 时钟算法
  • 硬件复杂度较低，不会损失过多性能

提高cache的性能

• 写缓存
  

• victim cache
  

• filter cache
  

• 预取

  • 硬件预取

    • 当I-Cache发生缺失时，除了将需要的数据块从下级存储器中取出放在I-Cache中，还会将下一个数据块也读取出来，放到stream buffer中
      

  • 软件预取

    • 编译阶段，编译器对程序进行分析，进而知道哪些数据需要进行预取。比较有针对性
    • 需要注意 预取的时机
    • 使用软件预取时，执行预取指令时，处理器需要能继续执行（能继续从D-Cache中读取数据），要求D-Cache是非阻塞（non-blocking）结构

多端口Cache

• True Multi-port

  • cache的控制通路和数据通路需要进行复制
  • 两套地址解码器，多路选择器，比较器，对齐器；SRAM中每个cell都需要同时支持两个并行的读取操作
  • 增大了面积，多端口的SRAM cell需要驱动多个读端口，因此需要更长的访问时间，功耗也会随之增大

• Multiple Cache Copies

  • 将cache进行复制
    

• Multi-banking

  • 将cache分成很多小的bank，每个bank都只有一个端口
  • bank冲突

• 实例：AMD Opteron的多端口cache

  • 64位处理器，但处理器地址进行了简化（虚拟地址Virtual Address VA 48位，物理地址Physical Address PA 40位）
    

超标量处理器的取指令

• 使数据块的大小为n个字，每周期将其全部进行输出
• 使处理器每周期取出的指令个数多于它能够解码的指令个数，通过指令缓存（Instruction Buffer）将多余的指令缓存起来
• 改进：使数据块变大

  • 如变为8个字

  • 实际实现用四个SRAM实现一个八个字的数据块
    

  • 一个cache line包含的8个字占据了SRAM的两行，一个cache line只包含一个Tag值

  • 增加两个控制电路

    • 产生每个SRAM的读地址
    • 将四个SRAM输出的内容进行重排序，使其按照程序中规定的原始顺序进行排列