Cache - 直接映射缓存

• 参考
  • https://zhuanlan.zhihu.com/p/102293437

1. Cache line

• cache size：cache可以缓存最大数据的大小。
• 将cache均分相等的块，每一块称为cache line，现在的硬件设计中，一般cache line的大小为4-128字节，cache line做的太小会导致tag资源占用过大。
• cache line 是 cache 和主存之间数据传输的最小单位。
  • 在cache缺失时，即使CPU只需要从主存中读1个字节的数据出来，但是还是会直接load出8（该值为设定的cache line大小）个字节填充整个cache line。

2. Cache控制器怎么确定是否命中

• 首先假设cache 大小为64Bytes，cache line大小为8Bytes。假设CPU想从地址为0x0654地址取一个字节数据。
• 考虑cache line大小为8Bytes，使用地址低3bit来寻址其中的一个字节。(offset[2:0])
• 计算可得有8个cache line，可以使用3bit地址来寻址是哪个cacheline。(index[5:3])
• 对于一个地址，即使确定了[5：3]bit，也不能就确信找到了正确的地址，还有更高位数信息。
  • cache将高位信息用tag表示， tag、index、offset可以确定唯一的那个地址。
• 检查是否命中：首先根据index找到cacheline，然后将cache的tag与地址的tag比对，如果相等，说明命中，如果不等，说明缺失。
  
• tag 前面还加了一位valid bit，首先判断该位，判断缓存中的数据是否有效，若无效不用判断是否命中，直接缺失。

3.直接映射缓存的优缺点

• 优点：硬件设计更简单、成本低。
• 缺点：cache thrashing（cache 颠簸）
  • 与上面假设相同，此时cpu想依次访问0x00，0x40，0x80地址的数据，这三个对应的index和offset都是一个，唯一区别是tag值。
  • 访问0x00时，cache缺失，cpu从主存中load出8个字节大小的数据填充cache line。
  • 访问0x40时，索引到第0行cacheline，但这里存的是0x00对应的数据，仍缺失，再加载0x40地址的数据。
  • 依次类推，0x80也要经过刚才两步：缺失+从主存中load。
  • 这样cache对性能没什么提升。
• 为了解决这个问题，引入了多路组相连缓存，见这篇博客