计算机组成原理·Cache和主存的映射替换算法和写策略

Cache和主存的映射·替换算法·写策略

映射

Cache行中的信息是主存某个块的副本
地址映射：将主存地址空间映射到Cache地址空间，按某种规则将主存的信息装入Cache
Cache的行数比主存块少的多，只有一部分主存块的信息可以装入Cache中，因此在Cache中需要为每块加一个标记，指明它是主存的哪一块的副本，此标记相当于主存块的编号。为了说明Cache行中的信息是否有效还需要一个有效位，地址映射以下3种：

• 直接映射
• 全相联映射
• 组相联映射

直接映射

Cache 行号 = 主存块号 mod Cache 总行数
假设 Cache : \(2^c\)行 主存 : \(2^m\)块
\(0,2^c,2^{c+1},\dots\)块映射到第0行
\(1,2^c+1,2^{c+1}+1\)块映射到第1行
低c位为装入的Cache行号，给每行设置一个长为t=m-c的标记，当某个主存块调入Cache后，将主存块号的高t位设置为对应Cache行中的标记

t	c	b
标记	Cache行号	块内地址

CPU访存过程：

• 根据访存地址中间的c位找到对应Cache行
• Cache行标记与主存地址高t位标记比较，确定是否有效
• 相等且有效位为1，访问Cache命中，根据主存地址低b位的块内地址，在对应Cache行中存取信息
• 不相等或有效位为0，不命中，CPU将主存读出该地址所在的一块信息送到相应的Cache行中，置有效位1，并将标记设置为地址高t位，同时将地址中的内容送CPU

全相联映射

主存的每一块可以装入Cache中的任何位置，每行标记用于指出该行取自主存的哪一块，CPU访存时需要与所有Cache行的标记进行对比

t	b
标记	块内地址

组相联映射

将Cache分为Q个大小相等的组，每个主存块可以装入固定组的任意一行，即组间采用直接映射，而组内采用全相联映射，Q=1变为全相联映射，Q=Cache行数变为直接映射
假设r个Cache行，则称之为r路组相联映射
Cache组号=主存块号 mod Cache组数(Q)

t	g	b
标记	组号	块内地址

CPU访存：

• 根据访存地址中间的g位组号找到对应的Cache组
• 将对应的Cache组的每个行标记与主存的高t位标记进行比较
• 相等且有效位为1，命中，根据主存地址中的低b位块内地址，在对应的Cache行中存取信息
• 不相等或有效位为0，未命中，CPU从主存读出该地址所在的一块信息送到对应的Cache组的任意一个空行，有效位置1，设置标记，同时将地址中的内容送CPU

替换算法

在采用全相联映射或组相联映射方式时，主存向Cache传送一个新块，Cache或Cache组空间已满替换的策略

• RAND
• FIFO
• LRU

写策略

因为Cache中的内容是主存块副本，当对Cache中的内容进行更新时，就需选用写操作策略，使Cache内容和主存保持一致
对于Cache写命中：

• 全写法：当CPU对Cache写命中时，必须八数据同时写入Cache和内存。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。
• 回写法：当CPU对Cache写命中时，只把数据写入Cache，而不立即写入主存，只有当此块被换出时，才写入主存。每个Cache行设置一个修改位（脏位），若修改位为1，Cache行被修改过，替换时需要写回主存，若为0，则说明Cache行中的块未被命中，替换时无需写回

对于Cache写不命中：

• 写分配法：加载主存中的块到Cache中，然后更新这个Cache块
• 非写分配法：只写入主存，不进行调块