重要程度：☆☆☆☆☆
知乎排版有点费力，可参考原网页：Notion – The all-in-one workspace for your notes, tasks, wikis, and databases.
Takeaways
- 类比：图书馆 - 外部存储， 书桌 - cache
- 处理器每次请求为一个字
- 为利用空间局部性，cache 的数据块容量应大于一个字。单字的单个数据块的大小是 4 字节，但是通常都会更大（单个数据块多字大小）。
- 要搞清楚地址位数和 cache 位数（容量）的对应关系
- cache 块大小：Data 部分是多少字节，4 字节是单字
一 、cache 读操作
cache miss 带来的疑问：
-
如何知道数据项是否存在于 cache 中?
——根据地址后几位（去掉 offset 字段）找到在 cache 中的位置，然后比较 tag -
如果知道数据项存在于 cache 中，又该如何找到这个数据项?
——找到确定位置，输出 data 部分即可
直接映射（direct mapped）
在 cache 中为每个存储中的数据字进行位置分配的最简单方式，就是基于它在存储中的地址来分配 cache 中的位置
公式：
中地址中的数据块数量
-
标签 tag：用来处理映射冲突
标签中只需要保存 Memory 地址的高位部分，便可以区别映射到同一个 Cache 块的数据字 -
有效位 valid：判断 cache 中的数据块中是否保存有效信息
比如刚启动时，cache 中没有有效数据，有效位均为 N，这样标签位都是无意义的
- 标签字段：用来和 cache 中存放数据的标签位进行比较。
- 索引字段：用来选择数据块。
数据字的地址是 4 字节对齐的，每个地址的最低两位用来表示对应的字节地址。因此，如果存储都是字对齐的，那么在访问数据字时地址的最低两位可以忽略不计。
访问 cache 所需的所有数据，是 cache 容量（对应索引）和存储地址大小（对应 tag）的函数。这是因为 cache 中既保存了数据，也保存了标签
地址按位解析与 cache 容量计算
- cache 大小为
数据块，因此索引字段为 n 位（图中的中间 10 位）。 - 数据块大小为
个单字 ( 字节)，因此在单个数据块中使用 m 位来索引单字，使用地址的最低 2 位来索引字节。 - 其余的位数都是 tag 字段：
- 1、0 两位是字节索引
注意：有效位不是地址里的，是算 cache 容量时要加上的
例子：数据块为单字，m=0
如果某数据块的标签与地址的高 52 位相等，同时对应的有效位有效，则该访存请求在 cache 中 hit，处理器所需数据将被读出。否则，出现 cache miss
- 真实容量： 单个数据块容量标签字段大小有效位大小
- 命名容量：cache 命名规范中一般只考虑数据的大小，并不考虑标签和有效位的大小。
- 对于 cache 来说，总容量是用于数据存储的容量的 1.4 倍
块容量与失效率、性能的关系
-
随着块大小的增长，失效率通常都在下降；
容量更大，更能挖掘空间局部性，更不容易 miss -
但如果相对于 cache 大小，块容量过大，实际上失效率会逐渐上升。
这是因为 cache 中可存放的块数变少了。最终，某个数据块会在它的大量数据被访问之前就被挤出 cache。
增大块容量与性能更多的分析见 P271
cache miss 处理
两个控制器作用，一个是处理器的控制单元，一个是单独的控制器，用来初始化内存访问和重填 cache。
cache 失效将会停顿整个处理器来等待内存 (返回数据), 特别是冻结临时寄存器和程序员可见寄存器的内容。
一旦发生指令 cache 失效，可以定义如下处理步骤：
- 将 PC 的原始值 (当前 PC-4) 发送到内存。
- 对主存进行读操作，等待主存完成本次访问。
- 写 cache 表项，将从内存获得的数据写入到该表项的数据部分，将地址的高位 (来自于 ALU) 写入标签字段，并将有效位置为有效。
- 重启指令执行。这将会重新取指，本次取指将在指令 cache 中命中。
与上述相比，数据访问的 cache 控制本质上是相同的。一旦失效，简单地暂停处理器，直到内存返回数据。
二、cache 写操作（策略）
write through 和 write-back 是策略，write buffer 是种优化结构
write through（写穿透 / 写直达）
为保持 cache 和主存一致，在存储指令执行将数据写入 cache 的同时写入主存。
写操作的另一个关键点是写失效的处理。先从主存中取来对应数据块中的数据，之后将其写入 cache 中，覆盖引发失效的数据块中的数据。同时，也会使用完整地址将数据写回主存。
缺点
每次的写操作都会引起写主存的操作。这些写操作延时很长，至少 100 个处理器时钟周期，这会 大大降低处理器的性能。
write buffer（写缓冲）
放一边去慢慢写，你写你的，我 CPU 执行我的
write buffer 是一个保存等待写入主存的数据的队列。数据写入 cache 的同时也写入写缓冲（器）中，之后处理器继续执行。当写入主存的操作完成后，写缓冲中的 entry 将被释放。
缺点
写缓冲满了，处理器流水线必须停顿直到写缓冲中出现空闲 entry；当写操作 occur in bursts 时，容易导致写操作的产生速度快于主存系统的处理速度，产生停顿。
write-back（写返回）
先不写，非要我写了我再写
当发生写操作时，新值只被写入 cache 中，被改写的数据块在替换出 cache 时才被写到下一级存储。
缺点
写返回策略的实现比写穿透策略要复杂得多。