《计算机组成与体系结构》——4.2cache的映射

1 映射算法

由于cache的行比主存的块要少，因此需要一种算法来实现主存到cache行的映射。通常采用三种映射方法：直接映射、全相联映射和组相联映射。

• 直接映射

将主存中的每个块映射到一个固定可用的cache行中。可以理解为采用哈希算法将块地址映射到行上。
缺点：如果一个程序恰巧重复访问两个需要映射到同一行中且来自不同块的字，则这两个块将不断地被交换到cache中，cache的命中率会降低。

• 全相联映射

全相连映射克服了直接映射的缺点，它允许每一个主存块装入cache中的任意行。在这种情况下，cache控制逻辑将存储地址简单地表示为一个标记域加一个字域。标记域用来唯一标识一个主存块。为了确定某块是否在cache中，cache控制逻辑必须对每一行中的标记进行检查，看其是否匹配。
缺点：需要复杂的电路并行检查所有的cache行标记。

• 组相联映射

这是一种折中的方法，既体现了直接映射和全相联映射的优点。又避免了两者的缺点。首先把块“直接映射”到个组，然后在组内进行“全相联映射”（每个组内有行）。这被称为路组相联映射。

2 替换算法

一旦cache行被占用，当新的数据块装入cache中时，原存在的块必须替换掉。对于直接映射，任意特殊块都只有唯一的行可以使用，没有选择的可能。对于全相联和组相联映射技术，则需要一种替换算法。

• 最少使用（LRU）

将cache中最少使用的行进行替换。用标记位或者索引表进行记录行的使用情况。

• 先进先出（FIFO）

替换掉那些在cache中停留时间最长的块。

• 最不经常使用（LFU）

替换掉cache中被访问次数最少的块。

3 写策略

当cache中被替换的行已经被修改过，则在替换它之前必须将该行写回主存对应，以进行主存更新。

• 写穿
  采用这种技术，任何写操作都同时对主存和cache进行，以保证主存中的数据总是有效的。
• 写回

使用写回技术时，只更新cache中的数据。当更新操作发生时，当且仅当脏位被置位时才将它写回主存。写回的缺点是，部分主存数据是无效的，因此I/O模块的存取只允许用过cache进行，这就使得电路设计更加复杂而且存在潜在的瓶颈问题。
注意：I/O模块是可以与主存进行数据交换的。详看《计算机组成与体系结构》——3计算机功能和互连的顶层视图小节4 互连设备

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参考文献：
计算机组成与体系结构：性能设计