cache主存映射
- 一、三種映射方式
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- 1. 全相聯映射
- 2. 直接映射
- 3. 組相聯映射
- 二、cache容量計算
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- 1. 先計算cache行标記項位數
- 2. 再計算cache塊位數
- 3. 最後計算cache總容量
- 三、cache寫政策
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- 1. 寫命中：
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- （1）全寫法 Write Through
- （2）寫回法 Write Back
- 2. 寫不命中
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- （1）寫配置設定法 Write Allocate
- （2）非寫配置設定法 Not Write Allocate
一、三種映射方式
假設計算機主存大小256MB，按位元組編址，資料cache有8行，行長64B。主存資料在cache裡應該怎麼存放？二者應該建立怎樣的對應關系？
【分析】行長即資料塊大小，主存和cache是以資料塊為機關進行資料交換的，是以主存塊大小 ≡ \equiv ≡cache塊大小
資料塊大小64B(26B)，以位元組編址，占 6 位；
主存大小256MB(228B)，以位元組編址，共占28位；
采用不同的映射方式，會對主存位址（28位）有不同的劃分方式：
1. 全相聯映射
cache的所有行均可用于存放主存任何一塊資料
（助記：空位子全都可以坐）
缺點：查找最慢，當cache塊裝滿的時候，可能需要周遊所有的cache行
主存位址結構劃分：
| 主存塊号 | 塊内位址 |
|---|---|
| 22位 | 6位 |
查找政策：
假如通路位址為：1…1101 001110
- 用前22位依次與cache塊标記進行對比
- 如果标記比對且有效位為1，則cache命中，通路塊内位址為001110的單元
- 若cache不命中或有效位為0，則正常通路記憶體
2. 直接映射
每個主存塊隻能放到某個固定的cache行，每個主存塊所屬的cahe行是 主存塊号 % cache總行數
（助記：一家公司員工每天都是不假思索直接去自己所屬的公司）
缺點：是以多個塊會映射到同一行，這樣會産生不必要的換入換出，因為即使cache有空行，也不能利用。
（助記：公司有特定技能的人員需要，恰好目前團隊沒有這樣的人才，但是剛好公司人員已經飽和了，那麼就得有人先離開，新人再進來，這真是一個悲傷的故事）
針對上例，「0号，8号，16号……」主存塊被映射到0号cache行，「1号，9号，17号……」主存塊被映射到1号cache行，以此類推……
由于cache行總共8行(23)，占 3 位；
而恰好主存塊号22位的後三位跟cache行号是一緻的，是以将主存塊号再拆分：
主存位址結構劃分：
| 主存塊号 | 塊内位址 |
|---|---|
| 主存字塊标記（19位） + cache行号（3位） = 22位 | 6位 |
查找政策：
假如通路位址為：0…01000 001110
- 根據主存塊号後3位确定cache行号
- 如果主存塊号前19位與cache标記比對且有效位為1，則cache命中，通路塊内位址為001110的單元
- 若cache不命中或有效位為0，則正常通路記憶體
3. 組相聯映射
首先要對所有的cache行進行分組，每個主存塊隻能放到固定的cache組，每個主存塊所屬的cahe組是 主存塊号 % cache總組數
（壓軸出場的總是相對比較牛逼的，這種方式是上面兩種方式的結合，主存資料先找到自己對應的組，組内的空位随便放，這樣既提高了查找效率，又減少了因為沖突而導緻的換入換出次數）
仍然針對上例，以 2 路組相聯為例，cache行可被劃分為8/2=4組（22），占 2 位
「0号，4号，8号……」主存塊被映射到0号cache組，「1号，5号，9号……」主存塊被映射到1号cache行，以此類推……
而恰好主存塊号22位的後 2 位跟cache組号是一緻的，于是主存塊号就有了另外一種劃分方式：
主存位址結構劃分：
| 主存塊号 | 塊内位址 |
|---|---|
| 主存字塊标記（20位） + cache組号（2位） = 22位 | 6位 |
查找政策：
假如通路位址為：1…0101 001110
- 根據主存塊号後2位确定cache組号
- 如果主存塊号前20位與cache分組内某行标記比對且有效位為1，則cache命中，通路塊内位址為001110的單元
- 若cache不命中或有效位為0，則正常通路記憶體
三種映射方式附圖：
二、cache容量計算
1. 先計算cache行标記項位數
所有的cache行都會對應一個标記項，用于标記目前cache行儲存的資料狀态，cache行标記項結構如下：
| 有效位 | 标記位 | 髒位 | 替換控制位 |
|---|---|---|---|
| 1bit | 主存字塊标記 | 1bit | 與替換算法有關 |
* 有效位：（一定有）固定占 1 位，由于cache未裝進資料塊時，主存字塊标記預設為0，是以有效位是為了區分目前cache塊是沒裝資料還是裝了一個主存第0的資料
* 标記位：（一定有）主存字塊标記位數，用于辨別目前cache行存放的主存哪一行資料，計算方法見上
髒位：（特定條件下才有）也叫一緻性維護位，隻有當cache寫政策采用 寫回法 時，該位生效并且占 1 位
替換控制位： （特定條件下才有）或叫替換算法位，用于标記替換cache哪一行會被換出，在cache替換政策中，當采用LRU和LFU替換算法時，這個控制位會作為被換出的依據，見下圖
2. 再計算cache塊位數
題目中一般會以各種方式較為直覺的給出，cache塊大小和主存塊大小是一緻的，算出一個塊所占據的位數
資料位：由于主存塊和cache塊的交換是以 塊 為機關，是以資料位即就是一個資料塊的資料位數。
3. 最後計算cache總容量
根據cache總容量和cache塊大小求得cache行數，最後
c a c h e 總 容 量 = c a c h e 行 數 × ( c a c h e 行 标 記 項 位 數 + c a c h e 塊 位 數 ) cache總容量=cache行數\times(cache行标記項位數+cache塊位數) cache總容量=cache行數×(cache行标記項位數+cache塊位數)
【簡例】已知4K字cache，塊大小4個字，則：cache總1K行，cache行号占10位
又已知主存塊大小為4個字，每字32位，則資料塊總位數 32*4=128位
再根據塊大小4個字，按位元組編址，32*4/8=16 塊内位址占4位
主存位址32位，采用直接映射
主存字塊标記：32-10-4=18 為
1K *（1+1+18+128）= 1K *（20+128）= 148K
cache總容量 148K
三、cache寫政策
由于cache 中的資料塊是主存塊的副本，當對 Cache 中的内容進行變更時，就要考慮主存如何變更以及在什麼時機變更的問題~
寫操作也分為兩種情況：
寫命中（Write Hit）：要寫的單元已經在 Cache 中
寫不命中（Write Miss）：要寫的單元不在 Cache 中
1. 寫命中：
（1）全寫法 Write Through
（又名寫直達、直寫法、通過式寫）
同時修改 cache 和主存。需要頻繁寫主存，應用于資料準确率要求高，實時性高的場景。
（2）寫回法 Write Back
（又名寫回、回寫、一次性寫）
先修改 cache 暫不修改主存，當cache塊要被換出時（根據髒位判斷）一次性寫主存。應用于寫操作頻繁，寫密集型的場景。
2. 寫不命中
（1）寫配置設定法 Write Allocate
将主存塊調入 cache 中，然後更新相應的位址單元。這樣可以利用空間局部特性，但是每次都要先讀一個資料塊到 cache 塊，相對速度較慢
（2）非寫配置設定法 Not Write Allocate
直接修改主存資料塊裡的位址單元，不把主存調入 cache 中
通常，非寫配置設定法和全寫法搭配使用；寫配置設定法和寫回法搭配使用。
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