在CPU Hit/MIss时，Cache和Main Memory之间交互策略
关键词：Hit、Miss、Read Through、Read Allocate、Write Through、Write Back、Write Allocate、No Write Allocate等。
对Cache和Main Memory之间数据维护设计到性能问题，也涉及到一致性问题。
了解下面各种策略，有利于理解Cache和Main Memory行为和配置Cache属性。
1. 各种策略行为和优缺点
Read Through：CPU Read data Through(not Allocate) Cache to Main Memory.
Read Allocate：CPU Read data from Main Memory and Allocate it in cache
Write Through：CPU Write data Through Cache to Main Memory。
Write Back：CPU Write data Back to Cache.
Write Allocate: CPU Write data to Main Memory and Allocate it in Cache.
No Write Allocate: CPU Write data to Main Memory, but No Allocate it in Cache.
Read/Write在Hit/Miss情况下，不同策略的表现行为：
| 行为 | ||||
| Read | Hit | CPU直接从Cache获取数据。 | ||
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Miss |
Read Through |
直接从Main Memory读取内容到CPU，不经过Cache。 |
避免Cache占用，但是对统一内容连续读效率很低。 |
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Read Allocate No Read Through |
先把数据从Main Memory读取到Cache中，再从Cache中读取数据到CPU。 |
占用Cache， | ||
| Write | Hit | Write Through | 把数据同时从CPU写到Cache和Main Memory中。 | 优点： - 未命中的读不会导致写到Main Memory。 - 较易实现。 - Main Memory中内容往往是最新的，也即一致性。 缺点: - 写入Main Memory较慢。 - 每次写操作都会触发访问Main Memory。 - 所需带宽更大。 |
| Write Back |
只把数据从CPU写到Cache中。 后续可以通过flush方式把数据从Cache写入到Main Memory中。 |
优点： - 写的速度非常快，Cache访问速度远高于Main Memory。 - 多次到Cache的写只需一次到Main Memory的写。 - 所需带宽更小。 缺点： - 实现较难 - Main Memory数据和Cache中不一致。 - 导致Cache替换的读操作会将dirty快写入Main Memory。 |
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| Miss | Write Allocate |
先把要写的数据从Main Memory载入到Cache中，CPU将数据写入到Cache中。 后续通过flush将数据从Cache写入到Main Memory中。 |
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| No Write Allocate | 数据在Main Memory中被修改，直接从CPU写入到Main Memory中。不会被加载到Cache中。 | |||
2. Write策略组合
不同Write Hit和Write MIss策略组合下的行为：
| Write Hit Policy | Write Miss Policy | ||
| Write Through | Write Allocate |
Hit：将数据写入Cache和Main Memory。 Miss：将数据从Main Memory读到Cache中，然后CPU Hit，CPU再写到Cache和Main Memory中。 当Miss的时候将数据带到Cache中，然后再将数据写入Cache和Main Memory，其中Cache的操作不太合情理。 |
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| Write Through | No Write Allocate |
Hit：将数据写入到Cache和Main Memory。 Miss：更新Main Memory中内容，并且不会在Cache中存在相关内容。 后续内容写入将更新Main Memory，因为使用了Write Through策略。因此，节省了一些时间，不会在Miss时将内容带进Cache中，因为它看起来毫无用处。 |
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| Write Back | Write Allocate |
Hit：将数据写入Cache并更新dirty位，Main Memory不会被更新。 Miss：更新Main Memory中的内容并将该块带到Cache中； 对同一块的后续写入，如果该块最初导致未命中，则下次将命中Cache，为该块设置脏位。这将消除额外的Main Memory访问，并比Write Through与Write Allocate组合执行更加有效。 |
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| Write Back | No Write Allocate |
Hit：当它写入Cache设置块的脏位时，Main Memory不会被更新； MIss：更新Main Memory中的块，而不将该块带到Cache中； 对同一块的后续写入，如果该块最初为Miss，则会一直导致Miss，并导致执行效率非常低。 |
所以常见的组合是Write Through-No Write Allocate和Write Back-Write Allocate。
3. 一个ARM内存实例
下图是M33的Cache策略实例：
参考文档：
