体系结构19_降低Cache失效率的方法

1.三种失效（3C）

（1）强制性失效（Compulsory miss）

     当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需从下一级存储器中调入Cache，这就是强制性失效

    (冷启动失效，首次访问失效)

（2）容量失效（Capacity miss）

    如果程序执行时所需的块不能全部调入Cache中，则当某些块被替换后，若又重新被访问，就会发生失效。这种失效称为容量失效。

（3）冲突失效（Conflict miss）

  在组相联或直接映像Cache中，若太多的块映像到同一组（块）中，则会出现该组中某个块被别的块替换（即使别的组或块有空闲位置），然后又被重新访问的情况。这就是发生了冲突失效。

        （碰撞失效，干扰失效）

2.三种失效所占的比例

 可以看出：

  （1）相联度越高，冲突失效就越少

  （2）强制性失效不受Cache容量的影响，但容量失效却随着容量的增加而减少；请执行失效和容量失效不受相联度的影响。

  （3）表中的数据符合2：1的Cache经验规则，即大小为N的直接映像Cache的失效率约等于大小为N/2的两路组相联Cache的失效率

3.减少三种失效的方法

  强制性失效：增加块大小，预取（本身很少）

  容量失效：增加容量  （防止出现抖动现象）

  冲突失效：提高相联度  （理想情况：全相联）

4.许多降低失效率的方法会增加命中时间或失效开销

增加Cache块大小

1.失效率与块大小的关系

（1）对于给定的Cache容量，当块大小增加失效率开始时下降，后来反而上升。

（2）Cache容量越大，失效率达到最低的块大小就越大

2.增加块大小会增加失效开销

例1： 假定存储系统在延迟40个时钟周期后，每两个时钟周期能送出16个字节。即：经过42个时钟周期，它可提供16个字节；经过44个时钟周期，可提供32个字节；依次类推。试问：对于表5-6中列出的各种容量的Cache，在块大小分别为多少时，平均访存时间最小？假设命中时间为一个时钟周期

解：

     解题过程

      1KB、4KB、16KB Cache：块大小=32字节

       64KB、256KB Cache:块大小=64字节

提高相联度

1. 采用相联度超过8的方法实际意义不大

2. 2：1 Cache经验规则

     容量为N的直接映像Cache

                              约等于容量为N/2的两组相联Cache

3.提高相联度是以增加命中时间为代价

    例如：

            TTL或ECL板级Cache，两路组相联：（板级Cache：以前的CPU中不包含Cache，他俩放在一个板子上）

            增加10%

            定制的CMOS Cache，两路组相联：（Cache做在了CPU里）

            增加2%

Victim　Cache

１.基本思想

　　在Cache和它从下一级存储器调数据的通路之间设置一个全相联的小Cache，用于存放被替换出去的块（称为Victim），以备重用。

工作过程：

２.作用

　对于减小冲突失效很有效，特别是对于小容量的直接映象数据Cache，作用尤其明显。例如，项数为４的Victim　Cache：使４KBCache的冲突失效减少。　　２０％～９０％（跟程序有关）

伪相联Cache

取直接映象及组相联两者的优点：

　　　命中时间少，失效率低

缺点：　多种命中时间会使CPU流水线的设计复杂化

（1）基本思想及工作原理

   在逻辑上把直接映象Cache的空间上下平分为两个区。对于任何一次访问，伪相联Cache先按直接映象Cache的方式去处理。若命中，则其访问过程与直接映象Cache的情况一样。若不命中，则再到另一区相应的位置去查找。若找到，则发生了伪命中，否则就只好访问下一级存储器。

（2）快速命中与慢速命中

   要保证绝大多数命中都是快速命中