存储系统---Cache的替换策略和写策略

引言：

• Cache的工作原理要求它尽量保持最新数据。无论何种映射方式，Cache与主存之间都是一对多，当一个新的主存块需要拷贝到Cache中时，如何替换？替换策略解决了如何将数据从主存写入Cache的问题。
• 当然，替换的策略与映射方式有关，如直接映射只能存到Cache的一个固定行，因此只能覆盖原来的内容。而全相联和组相联就存在策略问题。
• 硬件实现的替换方法常用的有三种：
  1. 最不经常使用（LFU）算法
  2. 近期最少使用（LRU）算法
  3. 随机替换

一、LFU算法

• 刚刚存入的数据容易被替换

二、LRU算法：近期最少使用算法

三、随机替换

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四、数据写入Cache的问题

• 如何保证cache与主存内容一致？

写不命中策略： 直接将数据存储至主存中，不再调入Cache中
写命中常用的三种写操作策略：

1. 写回法:

   • 只修改Cache的内容，而不立即写入主存。只有当此行被换出时才写回主存。（写未命中就存储在cache其他的地方） 因此cache重的数据在主存中不一定存在副本。
   • 优点： 减少了访问主存的次数
   • 缺点：存在Cache与主存内容不一致的隐患。
   • 实现该方法时，cache每行必须配置一个修改位，以反映此行是否被cpu修改过。（在准备替换某个行时，若这个行的修改位反映了它被Cpu修改过，则先把这行数据写入主存再替换它。）

2. 全写法，又称写透式、写贯穿策略

   • 一旦cache发生写操作，就将这个数据写入主存中，同时将这个数据存入cache中（如果写未命中就直接存储主存中）
   • 优点：cache与主存的内容高度一致。而且不需要设置修改位
   • 缺点：降低了cache的功效

3. 写一次法

   • 以写回法为基础，结合了全写法的写策略。
   • 写命中与写未命中的处理方法与写回法基本相同，只是第一次写命中时要同时写入主存。

五、Cache命中

• 当CPU 访存读一个字时，首先 Cache 控制逻辑根据地址判断这个字是否在 Cache 中，若在，就立即送给 CPU，称为 Cache “读命中”；否则，称为 Cache “读不命中”

  • 通常有两种方法解决 Cache 的“读不命中”情况：其一，将主存中该字所在的数据块复制到 Cache 中，然后再把这个字传送给 CPU；其二，启动常规的主存读周期，把此字从主存读出送到 CPU，与此同时，把包含这个字的数据块从主存中读出送到 Cache 中。在以上这两种方法中，都有可能发生 Cache 中行数据的替换，即当 Cache 已没有空闲的位置容纳即将装入的新行时，只能按照某种替换算法选择某一旧行被新行替换掉。

• 当 CPU 访存写一个字时，Cache 控制逻辑根据地址判断这个字是否在 Cache 中，若不在，称为 Cache“写不命中”，此时，直接将该字写入主存中，且不再调入 Cache；否则，称为 Cache“写命中”

  • 对于 Cache 的“写命中”通常也有两种方法进行处理：其一，CPU 的写操作既对Cache 也对主存进行，保证主存总是有效的，称为“写贯穿策略”；其二，CPU 的写操作只对Cache 进行，仅当此 Cache 行被替换时，相应的主存内容才被修改，称为“写回策略

关于写命中和写未命中，这里拿其他存储器举个例子，就是相当于你磁盘或者内存上的某块存储区域之前有没有写过数据，如果有，这次再写到相同的区域叫写命中（覆盖），如果写到其他区域，叫写未命中。在数据恢复方面，如果写命中了，那之前的数据被覆盖，就很难再恢复回来，如果写未命中，那么之前的数据就容易被找回。