[Cache]页着色小结
学习了很长时间关于页着色的概念，特记录下。
page coloring只对大cache有意义，也就是L2，L3这些动辄上M的cache有意义。
还有就是面向的是PIPT way/set组织的data cache。如果是Virtually indexed的话，没意义。
首先说cache的一些名词
cache entry：
包括tag，flag bits以及cache line的cache row
cache line：
大小为若干字的与内存相对应的cache数据。
cache way/set：
将cache line等分成如干个set，每个set包括way个cache line
每个cache way包含cache size/way/cache line个cache set。
cache bin：
在基于set/way的高端cpu中，给定一块连续的OS或者应用程序分配的物理内存，
会按照一定的映射算法，落在一块连续的cache set中。这个连续的Cache set集合
就是cache bin。
对于一个物理地址，其在OS和cache的角度来看是不同的：
在OS看来（4K页）：
[ 页帧号（20位） ] [ 页内偏移（12位） ]
在Cache看来（32字节，4路，2M cache）：
[ TAG（13位） ] [ index（14位） ] [ cache line offset（5位） ]
对于一个页来说，其5到11位（页内偏移）和12到18为（页帧号）对应了
同一个index，在cache看来，相同的index也就是意味着该物理页属于
同一个set当中，他们的区别在与tag。
5到11位（7位）对应页内偏移，页内偏移是连续的，那么这128个32字节刚好
对应了128个连续set。
12到18位（7位）对应页帧号，4K页中，其页帧号不变。对于同一个index，这
7位是相同的。也就是说第0页框和第128页框位于同一个index。也就是：
128 * j + i(j = 1,2,3,4...) 和 i页框位于同一个index中。
我们把位于同一个cache bin的页框称为同一颜色，也就是说同一颜色的页框
的物理页在cache看来，他们的index是相同的。
下面说什么是color bits，对于上述32字节cache line，4way，2Mcache来说
其color bits就是12到18位。这个概念等价于cache bin，因为color bits相同
的页属于同一个cache bin集合。
OS在采用某个固定分页（比如4K）的时候，只有12到18位可以进行控制。那么
OS在进行内存分配的时候就可以对cache的行为进行控制：
具有相同color bits的物理页可能会发生冲突导致应用性能下降。
换言之就是尽可能分配不同颜色的物理页！
除此之外，对于应用程序还有另一层含义。比如某应用程序使用512K连续物理内存的
数据结构（后面把这个结构看做是页）。那么对于上述cache会如何呢？
应用程序角度：
[ 页帧号（13位） ] [ 页内偏移（19位） ]
那么此时Cache角度不变：
[ TAG（13位） ] [ index（14位） ] [ cache line offset（5位） ]
此时的color bits就是第19位（1位）。那么情况就是：
如果系统有五个这样的结构（4路），那么他们在系统的cache上肯定会出现冲突。
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Cache 类型
1. PIPT （一般用于D cache）
该种类型避免上下文切换时候要flush cache，但是由于皆采用物理地址，每次判断命中都必须进行地址转换
速度较慢
2. VIVT （老式缓存）
该种类型避免判断Cache命中时的地址转换，但是上下文切换后虚拟地址映射发生改变，就必须flush cache。
效率不高
3. VIPT （一般用于新式I cache）
上面两个极端的折中。在cache通过index查询正确的set的时候，TLB可以完成虚拟地址到物理地址的转换，在cache
比较tag的时候，物理地址已经准备就绪，也就是说physical tag可以和cache并行工作。虽然延迟不如VIVT但是不需要
上下文切换的时候flush cache。
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Cache 同名问题
同名问题指的是两个不同的VA被映射到了同一个PA上了。虽然是同一份资料但是因为虚拟地址不同，在cache中就有可能
存在多个备份。注意，这里cache是VIVT或VIPT（index不同）。这称为Cache同名问题。
现在来考虑这个问题，某个PA被映射到了两个不同的VA上。虽然VA不同，但是由于PA相同，VA和PA之间有映射关系，那么
VA应该有相同之处。
考虑物理地址被映射到了两个页当中，那么必然两个的页偏移地址应该是一样的，那么也就是低12位应该是相同的。
这个时候判断是否有同名问题就要判cache的index被采用哪几个位：
考虑一个64K，四路组相连，32字节Cache Line的L1 Cache，采用VIPT。
set = 64K/4/32 = 512(9)
在Cache角度下地址应该是这样的：
31 14 13 5 4 0
[ tag ] [ index ] [ offset ]
对于这样的Cache考虑其VA(4K l2-tbl)
31 20 19 12 11 0
[ l1-tbl ] [ l2-tbl ] [ offset ]
12 8 12
index和offset占14位，而在VA中offset占12位，l2-tbl中占2位也就是12位，13位。
两个映射了同一个页的VA，其offset肯定相等，那么index中不相等的就是12位和13位。
此时index bit落入了l2-tbl中，说明该系统可能出现同名问题。
下面讨论如何解决同名问题：
很简单：
软件角度：在构建页表的时候，当PA映射到多个VA时，这多个VA的12-13位必须和PA的12-13位相等。
也就是说，我们构建页表时候进行强制对齐，对于上面的例子，如果我们的页都是按照16K对齐，那么问题就解决了。
硬件角度：限制Cache大小，也就是减少index数目，可以让index完全落入PA中，这样就避免了同名问题。