Cache的替换策略

根据程序局部性规律可知：程序在运行中，总是频繁地使用那些最近被使用过的指令和数据。这就提供了替换策略的理论依据。综合命中率、实现的难易及速度的快慢各种因素，替换策略可有随机法、先进先出法、最近最少使用法等。

　　1.随机法（RAND法）

　　随机法是随机地确定替换的存储块。设置一个随机数产生器，依据所产生的随机数，确定替换块。这种方法简单、易于实现，但命中率比较低。

　　2.先进先出法（FIFO法） 

　　先进先出法是选择那个最先调入的那个块进行替换。当最先调入并被多次命中的块，很可能被优先替换，因而不符合局部性规律。这种方法的命中率比随机法好些，但还不满足要求。先进先出方法易于实现，例如Solar－16/65机Cache采用组相联方式，每组4块，每块都设定一个两位的计数器，当某块被装入或被替换时该块的计数器清为0，而同组的其它各块的计数器均加1，当需要替换时就选择计数值最大的块被替换掉。

　　3.最近最少使用法（LRU法）

　　LRU法是依据各块使用的情况， 总是选择那个最近最少使用的块被替换。这种方法比较好地反映了程序局部性规律。
　　实现LRU策略的方法有多种。 下面简单介绍计数器法、寄存器栈法及硬件逻辑比较对法的设计思路。
　　计数器方法：缓存的每一块都设置一个计数器，计数器的操作规则是：
　　(1) 被调入或者被替换的块， 其计数器清“0”，而其它的计数器则加“1”。
　　(2) 当访问命中时，所有块的计数值与命中块的计数值要进行比较，如果计数值小于命中块的计数值，则该块的计数值加“1”；如果块的计数值大于命中块的计数值，则数值不变。最后将命中块的计数器清为0。
　　(3) 需要替换时，则选择计数值最大的块被替换。
　　例如IBM 370/65机的Cache用组相联方式，每组4块，每一块设置一个2位的计数器，其工作状态如表2.3.1。

表2.3.1 计数器法实现LRU策略

 

主存块地址

块4

块2

块3

块5

 

块号

计数器

块号

计数器

块号

计数器

块号

计数器

Cache块0

1

10

1

11

1

11

5

00

Cache块1

3

01

3

10

3

00

3

01

Cache块2

4

00

4

01

4

10

4

11

Cache块3

空

XX

2

00

2

01

2

10

操作

起始状态

调入

命中

替换

 

 

　　寄存器栈法：设置一个寄存器栈，其容量为Cache中替换时参与选择的块数。如在组相联方式中，则是同组内的块数。堆栈由栈顶到栈底依次记录主存数据存入缓存的块号，现以一组内4块为例说明其工作情况，如表2.3.2所示，表中1～4为缓存中的一组的4个块号。

表2.3.2 寄存器栈法实现

 

缓存操作

初始状态

调入2

命中块4

替换块1

寄存器0

3

2

4

1

寄存器1

4

3

2

4

寄存器2

1

4

3

2

寄存器3

空

1

1

3

 

　　(1) 当缓存中尚有空闲时，如果不命中，则可直接调入数据块，并将新访问的缓冲块号压入堆栈，位于栈顶。其他栈内各单元依次由顶向下顺压一个单元，直到空闲单元为止。
　　(2) 当缓存已满，如果数据访问命中，则将访问的缓存块号压入堆栈，其他各单元内容由顶向底逐次下压直到被命中块号的原来位置为止。如果访问不命中，说明需要替换，此时栈底单元中的块号即是最久没有被使用的。所以将新访问块号压入堆栈，栈内各单元内容依次下压直到栈底，自然，栈底所指出的块被替换。
　　比较对法：比较对法是用一组硬件的逻辑电路来记录各块使用的时间与次数。

　　假设Cache的每组中有4块，替换时，是比较4块中那一块是最久没使用的，4块之间两两相比可以有6种比较关系。如果每两块之间的对比关系用一个RS触发器，则需要6个触发器（T12，T13，T14，T23，T24，T34），设T12＝0表示块1比块2最久没使用，T12＝1表示块2比块1最久没有被使用。在每次访问命中或者新调入块时，与该块有关的触发器的状态都要进行修改。按此原理，由6个触发器组成的一组编码状态可以指出应被替换的块。例如，块1被替换的条件是：T12＝0，T13＝0，T14＝0；块2被替换的条件是：T12＝1，T23＝0，T24＝0等等。

文章转载自：http://blog.csdn.net/loverszhaokai/article/details/6121952