Cache 工作原理,Cache 一致性,你想知道的都在这里
码农突围
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2021-10-17 12:52
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1.1 为什么需要 Cache
for (j = 0; j < 100; j = j + 1)
for( i = 0; i < 5000; i = i + 1)
x[i][j] = 2 * x[i][j];
1.2 实际系统中的 Cache
1.3 Cache 的分类
按照数据类型划分:I-Cache与D-Cache。其中I-Cache负责放置指令,D-Cache负责方式数据。两者最大的不同是D-Cache里的数据可以写回,I-Cache是只读的。 按照大小划分:分为small Cache和large Cache。没路组(后文组相连介绍)<4KB叫small Cache, 多用于L1 Cache, 大于4KB叫large Cache。多用于L2及其他Cache. 按照位置划分:Inner Cache和Outer Cache。一般独属于CPU微架构的叫Inner Cache, 例如上图的L1 L2 CACHE。不属于CPU微架构的叫outer Cache. 按照数据关系划分:Inclusive/exclusive Cache: 下级Cache包含上级的数据叫inclusive Cache。不包含叫exclusive Cache。举个例子,L3 Cache里有L2 Cache的数据,则L2 Cache叫exclusive Cache。
数据如何放置 数据如何查询 数据如何被替换 如果发生了写操作,Cache如何处理
2.1 数据如何放置
全相连(Fully associative)。可以放在Cache的任何位置。 直接映射(Direct mapped)。只允许放在Cache的某一行。比如12 mod 8 组相连(set associative)。可以放在Cache的某几行。例如2路组相连,一共有4组,所以可以放在0,1位置中的一个。
2.2 如何在Cache中找数据
2.3 如何替换Cache中的数据
随机替换。如果发生Cache miss里随机替换掉一块。 Least recently used. LRU。最近使用的块最后替换。 First in, first out (FIFO), 先进先出。
不在本 Cache 替换。如果Cache miss了,直接转发访问地址到主存,取到的数据不会写到Cache. 在读MISS时替换。如果读的时候Cache里没有该数据,则从主存读取该数据后写入Cache。 在写MISS时替换。如果写的时候Cache里没有该数据,则将本数据调入Cache再写。
2.4 如果发生了写操作怎么办
通写:直接把数据写回Cache的同时写回主存。极其影响写速度。
回写:先把数据写回Cache, 然后当Cache的数据被替换时再写回主存。
通写队列:通写与回写的结合。先写回一个队列,然后慢慢往主存储写。如果多次写同一个数据,直接写这个队列。避免频繁写主存。
策略一:基于监听的一致性策略
策略二:基于目录的一致性策略
SI: 对于一个数据块来讲,有share和invalid两种状态。如果是share状态,直接通知其他Cache, 将对应的块置为无效。 MSI:对于一个数据块来讲,有share和invalid,modified三种状态。其中modified状态表表示该数据只属于这个Cache, 被修改过了。当这个数据被逐出Cache时更新主存。这么做的好处是避免了大量的主从写入。同时,如果是invalid时写该数据,就要保证其他所有Cache里该数据的标志位不为M,负责要先写回主存储。 MESI:对于一个数据来讲,有4个状态。modified, invalid, shared, exclusive。其中exclusive状态用于标识该数据与其他Cache不依赖。要写的时候直接将该Cache状态改成M即可。
如果其他Cache里有这份数据,如果其他Cache里是M态,先 把M态写回主存再读。否则直接读。最终状态变为S。 其他Cache里没这个数据,直接变到E状态。
如果发生了处理器读操作,仍然在S态。 如果发生了处理器写操作,则跳转到M状态。 如果其他Cache发生了写操作,跳到I态。
发生了处理器读操作还是E。 发生了处理器写操作变成M。 如果其他Cache发生了读操作,变到S状态。
发生了读操作依旧是M态。 发生了写操作依旧是M态。 如果其他Cache发生了读操作,则将数据写回主存储,变换到S态。
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