高速缓存 Cache

Cache 和主存的映射方式

直接映射

$Cache行号=主存块号\mathrm{mod}Cache总行数$

地址结构：

tag 标记	Cache 行号	块内地址

全相联映射

使用相联存储器，成本较高，但是不会冲突，空间利用率高，命中率高。缺点是标记比较的速度更慢。

每个 Cache 行都设置一个比较器，比较器位数等于标记字段 tag 的位数。访存时根据标记字段的内容来访问 Cache 行中的主存块，所以是“按内容访问”。

地址结构：

tag 标记	块内地址

组相联映射

r 路组相联是指每组有 r 个 Cache 行。

$Cache组号=主存块号\mathrm{mod}Cache组数$

地址结构：

tag 标记	组号	块内地址

标记项

直接映射的 Cache 行的存储容量示意：

有效位	脏位	LRU 替换控制位	tag 标记	数据

Tip

• 脏位只有回写法才需要设置；
• LRU 控制位只有 LRU 算法才需要设置，位数为 ${\log }_2(组内块数)$ ；
• n 路组相联映射有 n 个相联存储器

其中前面四项统称标记项。

二路组相联映射一行就是一组，有两个标记项：

标记项	标记项
标记项	标记项
标记项	标记项
标记项	标记项

主存块的替换算法

1. RAND 随机算法：RAND 实际上是不需要什么算法，所以Cache 行中不需要随机替换控制位
2. FIFO先进先出算法
3. LRU最近未使用算法
4. LFU 最不经常使用算法：每一行带一个访问计数器，淘汰计数器值最小的那一行

一致性问题

写操作命中时：

• 全写法（直写法）：写命中时把数据同时写回 Cache 和主存，这样当需要替换主存块时，就不需要再写回主存了
• 回写法：写命中时，只把数据写回 Cache，当此块被换出时再写回主存

写操作不命中时：

• 写分配法：更新主存单元，并把这一块调入 Cache
• 非写分配法：只更新主存单元内容

回写法和写分配法一起使用 全写法和非写分配法一起使用