5.3.2 Cache

Cache：小容量高速缓冲存储器、由 SRAM 组成，速度和 CPU一样快。

Cache 存放最近访问的数据。

程序运行时，CPU 使用的一部分数据会成批拷贝到 Cache 中。当需要读写命令时，先在 Cache 查询是否有已经存储的数据，如果有就直接取；如果没有，则直接访问主存。

平均访问时间：$T = pT_C + (1 - p)(T_C+ T_M) = T_c + (1-p)T_M$，通常 $Tc \ll T_m$

要降低平均访问时间，就要提高命中率 $p$.

5.3.3 Cache 和主存的映射

映射方式	方式	相联度
直接映射	$Cache 行号 = 主存块号 \bmod Cache 行数$（即取主存快号的低位地址）	$1$
全相联映射	Cache 中每个块记录取自主存中的哪个地址。	Cache 行数
组相连映射	将 Cache 所有行分组，将主存块直接映射到 Cache 固定某一组中。行内使用全映射。	$n$

Cache 大小：Cache 越大，失效率越低，但成本更高

Block 大小：

Cache 映射方式：

Cache 失效类型：

Cache 的一致性问题：

Cache 写机制：

Write Through（写直达，在写命中时使用）：
- 写操作产生时，新值同时写到 Cache 和主存中。但是这样会导致内存速度太慢。
- 考虑使用写缓冲（Write Buffer）：写操作产生时，将要写入内存的数据放到写缓冲，然后写缓冲负责把数据写到主存，CPU 继续执行后面指令。
Write Back（写回，在写命中时使用）：
- 每个 Cache 行设置一个修改位，如果被修改，则修改位为 1。
- 当修改位为 1 的块被替换出去时，把它写回主存。
Allocate-on-miss（写分配，在写不命中时使用）：
- 更新主存，再将主存块放入 Cache
No-allocate-on-write（写不分配，在写不命中时使用）：
- 更新主存，但是不将主存块放入 Cache

写直达Cache可用写分配或写不分配，写回Cache通常用写分配。

当新的主存块需要复制到 Cache 中，而 Cache 已满，则需要替换其中的一个块。

对于直接映射，只有一个对应位置，直接替换旧信息。

对于组相联映射和全相联映射，需要考虑替换哪一行。

常用 Cache 替换方法：

先进先出 FIFO：把最早进入的块替换掉
最近最少用 LRU：把最近最少用的块替换掉。为了实现此功能，需要维护一个历史记录序列，如果序列未出现当前主存位置，则将末尾弹出；如果序列出现当前主存位置，则将序列对应的数提到开头。或者用计数器来维护在序列中的位置。命中时，将自身置为零，其他加一；不命中时，将自身置为零，其他加一，并把最大的淘汰。若某段集中访问的存储区超过了 Cache 存储容量时，命中率将会极低。
随机替换：随机选取一个替换。
最不经常使用 LFU：将访问次数最少的块替换掉。可以用一个计数器来实现。命中时，将自身加一；不命中时，将所有的块加一，并将最小的替换。

单级/多级：

L1 Cache更靠近CPU，其速度比L2快，其容量比L2小

联合/分立：