15.3.6Cache的替換策略

在Cache訪問(wèn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)查找的Cache行已經(jīng)失效，則需要從主存中調(diào)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(dāng)所有組中的對(duì)應(yīng)行都已經(jīng)裝滿時(shí)，就要使用Cache替換算法，從這些組中找出一個(gè)Cache，把它調(diào)回到主存中原來(lái)存放它的地方，騰出新行來(lái)存放新調(diào)入的行。被選中替換的Cache行被稱為丟棄者（victim）。如果丟棄者中包含有效的臟數(shù)據(jù)，那么在該行被寫入新數(shù)據(jù)之前，控制器必須把該行中的數(shù)據(jù)寫到主存。選擇和替換丟棄Cache行的過(guò)程被稱為淘汰（eviction）。

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

輪轉(zhuǎn)算法又叫循環(huán)法，這種算法維護(hù)一個(gè)邏輯計(jì)數(shù)器，每進(jìn)行一次替換，計(jì)算器加1，當(dāng)計(jì)算器達(dá)到最大值時(shí)，就被復(fù)位成預(yù)先定義好的一個(gè)基值。這種算法容易預(yù)測(cè)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(jī)算法從特定的位置上隨機(jī)地選出一行替換出去。它通過(guò)一個(gè)隨機(jī)發(fā)生器來(lái)完成上述操作。當(dāng)每次需要替換Cache行時(shí)，隨機(jī)發(fā)生器將產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，用新行將編號(hào)為該隨機(jī)數(shù)的行替換出去。這種算法與輪轉(zhuǎn)算法最大的區(qū)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(xù)值，這個(gè)值是由控制器隨機(jī)產(chǎn)生的。同樣，當(dāng)丟棄計(jì)算器達(dá)到最大值時(shí)，會(huì)被復(fù)位成預(yù)先定義好的一個(gè)基值。

相比之下，隨機(jī)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(yù)測(cè)最壞情況下Cache性能。而輪轉(zhuǎn)法就有更好的可預(yù)測(cè)性，容易預(yù)測(cè)最壞情況下Cache性能，在一些實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，十分重視這一點(diǎn)。但是，輪轉(zhuǎn)法替換策略在存儲(chǔ)器訪問(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(jié)中已經(jīng)介紹過(guò)，下面對(duì)Cache的控制位進(jìn)行詳細(xì)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(xù)表