2.1 Cache的工作原理

处理器微架构访问Cache的方法与访问主存储器有类似之处。主存储器使用地址编码方式，微架构可以地址寻址方式访问这些存储器。Cache也使用了类似的地址编码方式，微架构也是使用这些地址操纵着各级Cache，可以将数据写入Cache，也可以从Cache中读出内容。只是这一切微架构针对Cache的操作并不是简单的地址访问操作。为简化起见，我们忽略各类Virtual Cache，讨论最基础的Cache访问操作，并借此讨论CPU如何使用TLB完成虚实地址转换，最终完成对Cache的读写操作。

Cache的存在使得CPU Core的存储器读写操作略微显得复杂。CPU Core在进行存储器方式时，首先使用EPN(Effective PageNumber)进行虚实地址转换，并同时使用CLN(Cache LineNumber)查找合适的Cache Block。这两个步骤可以同时进行。在使用Virtual Cache时，还可以使用虚拟地址对Cache进行寻址。为简化起见，我们并不考虑Virtual Cache的实现细节。

EPN经过转换后得到VPN，之后在TLB中查找并得到最终的RPN(Real PageNumber)。如果期间发生了TLB Miss，将带来一系列的严重的系统惩罚，我们只讨论TLB Hit的情况，此时将很快获得合适的RPN，并依此得到PA(PhysicalAddress)。

在多数处理器微架构中，Cache由多行多列组成，使用CLN进行索引最终可以得到一个完整的Cache Block。但是在这个Cache Block中的数据并不一定是CPU Core所需要的。因此有必要进行一些检查，将Cache Block中存放的Address与通过虚实地址转换得到的PA进行地址比较(Compare Address)。如果结果相同而且状态位匹配，则表明Cache Hit。此时微架构再经过Byte Select andAlign部件最终获得所需要的数据。如果发生Cache Miss，CPU需要使用PA进一步索引主存储器获得最终的数据。

由上文的分析，我们可以发现，一个Cache Block由预先存放的地址信息，状态位和数据单元组成。一个Cache由多个这样的Cache Block组成，在不同的微架构中，可以使用不同的Cache Block组成结构。我们首先分析单个Cache Block的组成结构。单个Cache Block由Tag字段，状态位和数据单元组成，如图2‑2所示。

其中Data字段存放该Cache Block中的数据，在多数处理器微架构中，其大小为32或者64字节。Status字段存放当前Cache Block的状态，在多数处理器系统中，这个状态字段包含MESI，MOESI或者MESIF这些状态信息，在有些微架构的Cache Block中，还存在一个L位，表示当前Cache Block是否可以锁定。许多将Cache模拟成SRAM的微架构就是利用了这个L位。有关MOESIFL这些状态位的说明将在下文中详细描述。在多核处理器和复杂的Cache Hierarchy环境下，状态信息远不止MOESIF。

RAT(Real Address Tag)记录在该Cache Block中存放的Data字段与那个地址相关，在RAT中存放的是部分物理地址信息，虽然在一个CPU中物理地址可能有40，46或者48位，但是在Cache中并不需要存放全部地址信息。因为从Cache的角度上看，CPU使用的地址被分解成为了若干段，如图2‑3所示。

这个地址也可以理解为CPU访问Cache使用的地址，由多个数据段组成。首先需要说明的是Cache Line Index字段。这一字段与图2‑1中的Cache Line Number类似，CPU使用该字段从Cache中选择一个或者一组Entry[2]。

Bank和Byte字段之和确定了单个Cache的Data字段长度，通常也将这个长度称为Cache行长度，图2‑3所示的微架构中的Cache Block长度为64字节。目前多数支持DDR3 SDRAM的微架构使用的Cache Block长度都是64字节。部分原因是由于DDR3 SDRAM的一次Burst Line为8[24]，一次基本Burst操作访问的数据大小为64字节。

在处理器微架构中，将地址为Bank和Byte两个字段出于提高Cache Block访问效率的考虑。Multi-Bank Mechanism是一种常用的提高访问效率的方法，采用这种机制后，CPU访问Cache时，只要不是对同一个Bank进行访问，即可并发执行。Byte字段决定了Cache的端口位宽，在现代微架构中，访问Cache的总线位宽为64位或者为128位。

剩余的字段即为Real AddressTag，这个字段与单个Cache中的Real Address Tag的字段长度相同。CPU使用地址中的Real Address Tag字段与Cache Block的对应字段和一些状态位进行联合比较，判断其访问数据是否在Cache中命中。

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[1]该图源自[19]的Figure 2. A typical cache and TLBdesign，拷贝后过于模糊，重画这个示意图，并有所改动。

[2]如果使用Set-Associative方式组织Cache结构，此时使用Index字段可以获得一组Entry。