Cache与Scratch-pad-memory（spm）的区别

目录

Cache

1、cache的三种相联方式

2、cache中数据的替换策略

3、更新cache内容时的写策略

Scratch-pad-memory

1、spm的定义

2、spm与cache相比的不同之处

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Cache

1、cache的三种相联方式

假设内存地址空间是0—31，cache地址的空间是0—7，现在需要将内存中地址16的数据存放在cache中。

如图所示

内存
0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31

直接相联：

直接相联方式将内存中的数据按地址映射到cache中的固定位置。

直接相联
0	1	2	3	4	5	6	7

全相联：

全相方式将内存中的数据映射到cache中的任何位置。

全相联
0	1	2	3	4	5	6	7

组相联：

组相联有两路组相联、四路组相联等。以两路组相联为例， 每个数据有两个位置可以存放，例如内存地址中地址16的数据可以放到cache中0,1两个位置，内存地址0.8.24的数据也可以放到cache中0,1位置。Cache中位置0处存放发数据到底是哪个内存地址数据，需要用cache标签来记录。

组相联
0	1	2	3	4	5	6	7

2、cache中数据的替换策略

随机替换：随机选取一个位置进行替换。

FIFO（FIRST IN FIRST OUT,先进先出）：把最先进来的数据替换出去。

LRU（LEAST RECENTLY USED,近期最少使用）：将最近最少使用的数据替换出去，因为最早进来的数据不一定的最没用的数据。

3、更新cache内容时的写策略

整体来说，处理器在更新cache内容时，需要分别考虑写命中和写失效两种情况下的写策略。

写命中时，即要写的地址在cache中，有写回和写穿两种策略。写穿策略，既写cache也写内存；写回策略，只写cache，并用dirty标志位记录cache是否修改过，当被修改的cache块被替换时，才将修改后的内容写回内存。

当写失效时，即要写的地址不在cache中，有写分配和写不分配两种策略。写分配策略。把要写的地址所在的块从内存调入cache中，再写cache；写不分配策略，把要写的内容直接写回内存。

Scratch-pad-memory

1、spm的定义

Scratch-pad-memory简称SPM中文叫遍笺（jian）式存储器。它可以把数据放在不同的片上存储器上（可解耦性），几个存储器是可以独立被访问的，从而达到较高的访问效率。

2、spm与cache相比的不同之处

（1）是否有硬件来管理存放的数据

Cache是通过硬件来管理每个位置上存放的数据；

spm没有硬件管理的替换策略，由程序员来管理数据的存放位置。因此，spm的控制逻辑比较简单，能耗也比较低，。

（2）根据访存行为的复杂程度cache与spm的选取不同

当访存行为不规则时，cache中的硬件管理机制可以有效的管理数据，比如Windows中的数据很多，访存行为难以分析清楚，于是cache是很好的选择；

但当程序中的访存行为可以很容易的描述出来时，程序员可以根据程序的访存行为设计spm的数据存取方式，从而提高访存效率。

（3）cache与spm在存储容量和片外访存量上面也有很大差距。

如上图所示

Cache存储量越大，命中率越高，失效率越低，内存访问（片外访存）量越少。

        当spm用于深度学习应用时，如全连接层，spm的内存访问量有两个拐点。全连接层的输入和输出神经元是可以重用的，而权重是不可重用的。Spm上可以优先存放输入神经元和输出神经元，当spm容量足够大时，能够放下所有的输入、输出神经元时，片外访存量就会降下来。但随着spm的容量的增加，权重也可以放到spm上，但权重没有重用，因此片外访存量会保持在一个阈值。当spm容量足够大，能够放下所有的输入、输出神经元以及权重时，片外访存会出现拐点，片外访存量极低。此时，整个计算过程除了输入图片需要访存，没有其他片外访存，片外访存量会很低。此时整个计算过程除了输入图片需要访存，没有其他片外访存，片外访存量会很低。

       实践上可以根据神经网络应用的特点来制定spm的大小，以提高片上存储的利用率，同时减少非必要的片上利用存储面积。