cache 相关知识 read/write through/back/allocate

[有關 Cache 的 read/write through/back/allocate 的意義]


所謂的read/write cache的hit/miss，指的是CPU要read/write某一位址的資料，若此時cache裡的資料剛好是該位址的資料，則稱為cache hit，若此時cache裡的資料不是該位址的資料，則稱為cache miss。


A. [Read]
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．當cache hit時，若CPU要讀取某一位址的資料時，會直接從cache中讀取資料。

．當cache miss時，若CPU要讀取某一位址的資料時，又可分為二種方式：一種是read through，這種方式會直接將資料從主記憶體端讀進CPU；另一種是no read through，這種方式會先將資料從主記憶體端讀進cache，然後再從cache讀進CPU。
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B. [Write]
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．當cache hit時，若CPU要寫入資料到某一位址時，可分為二種方式：一種是write through，此種方式資料會立刻寫到cache及主記憶體中；另一種是write back，此種方式會先將資料寫入cache中，然後再將同一位址的資料整批一起寫入主記憶體中（非立即寫入）。

．當cache miss時，若CPU要寫入資料到某一位址時，可分為二種方式：一種是no write allocate，此種方式會直接將資料寫到主記憶體中，不會再從記憶體中載入到cache，另一種方式是write allocate，此種方式會先將資料從主記憶體中載入到cache，然後再依cache hit的規則，將資料寫出。 

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转自http://witmax.cn/cache-writing-policies.html

Cache写机制

参考http://en.wikipedia.org/wiki/Cache#Writing_Policies上的说明，Cache写机制分为write through和write back两种。

• Write-through- Write is done synchronously both to the cache and to the backing store.
• Write-back (or Write-behind) – Writing is done only to the cache. A modified cache block is written back to the store, just before it is replaced.

Write-through（直写模式）在数据更新时，同时写入缓存Cache和后端存储。此模式的优点是操作简单；缺点是因为数据修改需要同时写入存储，数据写入速度较慢。

Write-back（回写模式）在数据更新时只写入缓存Cache。只在数据被替换出缓存时，被修改的缓存数据才会被写到后端存储。此模式的优点是数据写入速度快，因为不需要写存储；缺点是一旦更新后的数据未被写入存储时出现系统掉电的情况，数据将无法找回。

Write-misses写缺失的处理方式

对于写操作，存在写入缓存缺失数据的情况，这时有两种处理方式：

• Write allocate (aka Fetch on write) – Datum at the missed-write location is loaded to cache, followed by a write-hit operation. In this approach, write misses are similar to read-misses.
• No-write allocate (aka Write-no-allocate, Write around) – Datum at the missed-write location is not loaded to cache, and is written directly to the backing store. In this approach, actually only system reads are being cached.

Write allocate方式将写入位置读入缓存，然后采用write-hit（缓存命中写入）操作。写缺失操作与读缺失操作类似。

No-write allocate方式并不将写入位置读入缓存，而是直接将数据写入存储。这种方式下，只有读操作会被缓存。

无论是Write-through还是Write-back都可以使用写缺失的两种方式之一。只是通常Write-back采用Write allocate方式，而Write-through采用No-write allocate方式；因为多次写入同一缓存时，Write allocate配合Write-back可以提升性能；而对于Write-through则没有帮助。

处理流程图

Write-through模式处理流程：

A Write-Through cache with No-Write Allocation

Write-back模式处理流程：

A Write-Back cache with Write Allocation