Cache Back

  • Cache(高速緩存)是一種存儲器.
  • Cache的出現是為了解決內存速度落後於CPU計算速度, 從而導致CPU資源浪費的問題.
  • Cache的訪問速度遠高於內存(Main Memory), 但是Cache的空間比內存要小.
  • 有效的Cache存放策略將減少CPU平均訪問數據的時間
  • Freeze模式(凍結): 指的是Cache數據凍結, 而不被訪問. CPU直接繞過它訪問下一級存儲器或DDR(Cache自動凍結時鐘)

  • 命中: 指CPU要訪問的數據儲存在Cache中
  • 數據的平均訪問時間(只有一個Cache的情況):

  • 多級Cache: CPU->L1->L2->MM(Main Meomory).
  • L1通常集成在CPU片內, 通常分有Program(L1P)部分和Data(L1D)部分.
  • L2通常集成在CPU片外, 與控制器同級, 是作為仲介者的角色存在.
  • 從內到外, 訪問速度越來越慢, 存儲容量越來越大.

Address Mapping(地址映射)

  • 地址映射指內存地址映射到Cache地址.
  • 如果Cache有Cb塊, 主存有Mb塊, 則映射關係共有Cb*Mb種.

1. 全相聯方式

  • 主存的的任意一塊映射到Cache的任意一塊
  • 目錄表數量等於Cache塊的數目
  • 優點: Cache命中率高, 存儲空間利用率高
  • 缺點: 訪問速率較低, 需要遍曆整張目錄表

  • example
    • Main Memory: 1MB
    • Cache: 32KB
    • Block: 16B

2. 直接相聯方式

  • 主存的一塊只能映射到Cache的一個特定塊中
  • 主存容量是Cache容量的整數倍
  • 目錄表數量等於Cache塊的數目
  • 優點: 數據訪問時, 直接通過塊號去訪問目錄表, 因此訪問速度較快.
  • 缺點: Cache中替換操作頻繁, 命中率較低

  • example
    • Main Memory: 1MB
    • Cache: 32KB
    • Block: 16B

3. 組相聯方式

  • 混合了全相聯和直接相聯.
  • 主存的塊只能映射到特定的組, 組內映射到任意的塊
  • 優點: 結合了前兩種相聯方式的優點
  • 缺點: 實現難度較大

Cache一致性

  • 當不命中時, CPU直接把待寫的數據寫入主存
  • 當命中時, 有兩種寫入方式:
    • 寫回法: 只更新Cache, 並標記. 當移出Cache時, 再更新主存.
    • 寫直達法: 同時更新Cache和主存
  • 保持Cache一致性的兩種協議:
    • 監聽總線協議
    • 基於目錄協議
  • C64X+平臺:
    • case1: 代碼在L1P
    • case2: 代碼在L2 (需軟件維護)
    • case3: 代碼在DDR (需軟件維護)
    • case4: 數據在L1D
    • case5: 數據在L2
    • case6: 數據在DDR (需軟件維護)

1. 讀一致性問題

  1. 外部master更新內存數據
  2. 數據更新到Cache中
  3. Core讀到更新的數據

2. 寫一致性問題

  1. CPU更新數據
  2. Cache寫回內存
  3. 外部master讀到更新的數據

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