cache的替换策略与写操作策略

参考资料：《计算机组成原理》（第五版） 白中英等著

替换策略：

一、最不经常使用算法（Least Frequently Used，LFU）：

LFU算法认为：应该将一段时间内被访问次数最少的那行数据替换出。

实现方法：每行设置一个计数器。新行建立后从0开始计数，每被访问一次，被访问行的计数器增1。当需要替换时，对这些特定行的计数值进行比较，将计数值最小的行换出，同时将这些特定行的计数器清零。

该算法不能严格反映近期访问情况。

二、近期最少使用算法（Least Recently Used，LRU）：

LFU算法将近期内长久未被访问过的行换出。

实现方法：每行设置一个计数器，但它们是cache每命中一次，命中行计数器清零，其他各行计数器增1。当需要替换时，将计数值最大的行换出。

该算法保护了刚拷贝到cache中的新数据行，较为符合cache的工作原理，有效地提高了命中率。

三、随机替换：

不需要算法，从特定的行位置中随机地选取一行换出即可。

该策略在硬件上容易实现，速度较前两种策略快。但是会在一定程度上降低cache的效率。这些不足会随着cache容量增大而减小。

写操作策略：

一、写回法：

要求：当CPU写cache命中时，只修改cache中的内容，不立即写入主存，只有当此行被换出时才写回主存。当CPU写未命中时，为了包含欲写字的主存块在cache中分配一行，将此块拷贝到cache后再进行修改。主存的写修改操作统一地留到换出时再进行。

实现：每个cache行配置修改位，以反映CPU是否对该行修改过。该行被换出时，根据修改位的内容决定改行内容是写回主存还是简单弃去。

特点：写cache与写主存异步进行，可以减少访存次数，但是存在cache与主存不一致性的隐患。同时，还要设置修改位，相应的逻辑较为复杂。

二、全写法：

要求：当写cache命中时，cache与主存同步发生修改。当写cache未命中时，直接向主存进行写入，但是修改过的主存块是否拷贝到cache，有WTWA法（将修改后的主存块立即拷贝到cache），WTNWA法（不会将修改后的主存块立即拷贝到cache）。

特点：实现写cache与写主存同步，有效地保证了cache与主存内容的一致性。无需设置修改位，逻辑较为容易。但由于写cache未命中时，即cache对CPU向主存的写操作无高速缓冲功能，降低了cache的功效。

三、写一次法：

基于上述两种写策略的综合，第一次写命中时，采用全写法；后续采用写回法。