ARM存儲器之：高速緩沖存儲器Cache

15.3.6Cache的替換策略

在Cache訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程中，發(fā)現查找的Cache行已經(jīng)失效，則需要從主存中調入新的行到Cache中。在采用組相聯(lián)的Cache中，一個(gè)來(lái)自主存的行可以放入多個(gè)Cache組中。當所有組中的對應行都已經(jīng)裝滿(mǎn)時(shí)，就要使用Cache替換算法，從這些組中找出一個(gè)Cache，把它調回到主存中原來(lái)存放它的地方，騰出新行來(lái)存放新調入的行。被選中替換的Cache行被稱(chēng)為丟棄者（victim）。如果丟棄者中包含有效的臟數據，那么在該行被寫(xiě)入新數據之前，控制器必須把該行中的數據寫(xiě)到主存。選擇和替換丟棄Cache行的過(guò)程被稱(chēng)為淘汰（eviction）。

Cache控制器選擇下一個(gè)丟棄Cache行的策略被稱(chēng)為替換策略。在ARM常用的替換算法有兩種：輪轉算法和隨機替換算法。

輪轉算法又叫循環(huán)法，這種算法維護一個(gè)邏輯計數器，每進(jìn)行一次替換，計算器加1，當計算器達到最大值時(shí)，就被復位成預先定義好的一個(gè)基值。這種算法容易預測最壞情況下的Cache性能。但它一個(gè)明顯缺點(diǎn)就是，在程序發(fā)生很小變化時(shí)，可能造成Cache性能急劇下降。

隨機算法從特定的位置上隨機地選出一行替換出去。它通過(guò)一個(gè)隨機發(fā)生器來(lái)完成上述操作。當每次需要替換Cache行時(shí)，隨機發(fā)生器將產(chǎn)生一個(gè)隨機數，用新行將編號為該隨機數的行替換出去。這種算法與輪轉算法最大的區別在于它在每次產(chǎn)生替換行時(shí)，增加的是一個(gè)非連續值，這個(gè)值是由控制器隨機產(chǎn)生的。同樣，當丟棄計算器達到最大值時(shí)，會(huì )被復位成預先定義好的一個(gè)基值。

相比之下，隨機算法沒(méi)有考慮到程序的局部性特點(diǎn)，因而效果有時(shí)不盡人意，同時(shí)這種算法不易預測最壞情況下Cache性能。而輪轉法就有更好的可預測性，容易預測最壞情況下Cache性能，在一些實(shí)時(shí)系統中，十分重視這一點(diǎn)。但是，輪轉法替換策略在存儲器訪(fǎng)問(wèn)發(fā)生很小變化時(shí)，可能造成Cache性能有較大變化。

表15.13顯示了目前比較流行的ARM核所使用的策略。

表15.13 常見(jiàn)ARM核使用的替換策略

15.3.7與Cache相關(guān)的編程接口

與Cache編程相關(guān)的CP15的寄存器共有3個(gè)，它們分別為c1、c7及c9。

（1）寄存器c1中與Cache相關(guān)的位

c1寄存器在前面CP15寄存器一節中已經(jīng)介紹過(guò)，下面對Cache的控制位進(jìn)行詳細介紹。

表15.14顯示了c1中與Cache有關(guān)位的作用。

表15.14 c1中與Cache相關(guān)的位

續表