緩存具體怎么分類呢

上次說到緩存的桌面必須要為整個內(nèi)存的圖書館劃定相應(yīng)的空間存放對應(yīng)的書本，而不是將這些從內(nèi)存中取出來的數(shù)據(jù)隨意地?cái)[放在桌面上，經(jīng)過規(guī)劃后的緩存能夠更快地找到CPU內(nèi)核需要的數(shù)據(jù)。

首先，緩存是暫時存儲CPU需要經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)。但CPU在運(yùn)行過程中，執(zhí)行的程序指令對于相應(yīng)數(shù)據(jù)的指代都是以地址的形式，簡而言之，CPU只認(rèn)地址。那你緩存中暫存的數(shù)據(jù)你也得同時標(biāo)明該數(shù)據(jù)對應(yīng)的內(nèi)存地址是多少。這樣以后，CPU來找緩存要數(shù)據(jù)的時候，緩存才能通過對應(yīng)的地址查找到CPU想要的數(shù)據(jù)。我們都知道一般的電腦地址是32或64位的，即地址線是32或64位。那好，如果我在一個32位計(jì)算機(jī)中知道一個32位的地址我就可以取出這個精確到1bit的數(shù)據(jù)。那么一般我們32位的CPU取一次數(shù)據(jù)也是32位，那么我們緩存中有必要為每個bit的數(shù)據(jù)都存一個32位的地址嗎？肯定沒必要，否則光是32位的地址就占用了整個緩存99%的空間。我們還用圖書館做比喻，上文討論的問題的實(shí)質(zhì)就是圖書館里的書要有多厚。一本書里就寫一個字嗎？還是一本書就是一個書架的內(nèi)容？

如果一本書就一個字，那么還得是32個字作為地址，那還存啥數(shù)據(jù)，緩存的桌面只夠存這些地址了。如果一本書就是一個書架呢？好家伙，原來需要32位的地址現(xiàn)在只要26位了（舉例子），因?yàn)闀倭耍刂肺粩?shù)也少了，有效數(shù)據(jù)的比例增大了！但是能無限增大嗎？肯定也不行，太大程序不一定有用到，還擠占別的程序的緩存空間。所以現(xiàn)在一般一本書即一個緩存行的大小是64字節(jié)，正好是DDR內(nèi)存一次讀取的數(shù)據(jù)量，這就很恰好。

中間插一句，緩存對于CPU和程序員是透明的，即CPU和程序員看不到緩存的存在，他們能看到的只有CPU自身的幾個寄存器（指令集定義的）和內(nèi)存，緩存的存儲和讀取行為是硬件自發(fā)的，CPU和程序員無法干涉（不排除一些奇葩硬件，比如某游戲機(jī)將緩存放到全局地址空間，可以經(jīng)過游戲廠商特殊優(yōu)化加快游戲速度。但這不是一個好辦法，特殊優(yōu)化費(fèi)程序員，不如改善緩存讓硬件更好地自行調(diào)度）。

綜上，緩存中的空間必須要進(jìn)行分類規(guī)劃，不然緩存控制器找起數(shù)據(jù)來會很累。【假設(shè)數(shù)據(jù)隨機(jī)擺放，那么需要使用CAM存儲器同時對每個數(shù)據(jù)進(jìn)行地址匹配，可想而知這需要許多比較器，才可以實(shí)現(xiàn)一個周期中完成匹配，并且電路面積和功耗感人（但不是沒有這種緩存，存在即合理）?！磕敲淳唧w怎么分類呢？現(xiàn)在儲存在緩存行里的地址一共是26位（32位減去行內(nèi)偏移6位），那么我們就要在這26位上做分類。

比如，可以和擁有五個窗口的某家KFC一樣，尾數(shù)為0、1的去一號窗口取餐，2、3、4去二號，以此類推。緩存也是一樣，尾數(shù)在緩存中體現(xiàn)為Index，緩存就依據(jù)此分組，Index的位數(shù)就取決于你有幾個窗口即緩存容量有多大。那么假設(shè)緩存容量是64*64字節(jié)即64個緩存行的大小，那么Index就是log2（64）=6位數(shù)字。

從內(nèi)存到緩存的分類規(guī)則

那么如果CPU現(xiàn)在要某某地址的數(shù)據(jù)，緩存會將這個地址的Index截取下來在符合該分組的對應(yīng)緩存行中查找，如果剩下的地址也對應(yīng)上了，那么就是找到了，否則就往下一級緩存乃至內(nèi)存中繼續(xù)查找。這樣就不需要非常多的比較器，電路的面積和功耗也就合理多了，缺點(diǎn)就是需要耗費(fèi)兩個時鐘周期，先用MUX選取再比較。不過多周期任務(wù)可以用流水線來彌補(bǔ)功耗高的缺點(diǎn)。

緩存到內(nèi)存之間的控制關(guān)系（部分看不懂沒關(guān)系）

那如果兩個數(shù)據(jù)塊都在同一個位置呢？比如最頂部？那么他們就會互相擠用緩存空間，造成乒乓效應(yīng)。因此我們需要更高效的解決辦法。


審核編輯：劉清