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在組相聯cache中,用于替換cache line的算法有哪些?

冬至子 ? 來源:CSDN ? 作者:谷公子 ? 2023-10-08 11:10 ? 次閱讀

1. 在組相聯cache中,用于替換cache line的算法有哪些?

  • LRU(Least Recently Used)算法:該算法會跟蹤每個cache line的age(年齡)情況,并在需要時替換掉近期最少使用的cache line。
  • MRU(Most Recently Used)算法:這與LRU相反,最年輕的cache line會優先被替換掉。
  • PLRU(Pseudo LRU)算法:這與LRU相似,它沒有age跟蹤cache line(這樣開銷較大),只有1個或2個bit來跟蹤cache line使用情況。
  • LFU(Least Frequently Used)算法:該算法會跟蹤一個cache line訪問的頻率,并決定替換使用次數最少的cache line。
  • Random replacement算法:該算法不存儲任何信息,當需要替換時隨機選擇一個cache line。

2. Cache coherency的問題是什么?

在SMP(Shared Multiprocessor systems)中,多個處理器都有自己的cache,同一數據(同一地址)的多個副本可能同時存在于不同的cache中。如果允許每個處理器自由更新cache,則可能導致數據一致性被破壞了。例如:如果允許兩個處理器向相同的地址寫入值,那么在不同的處理器上讀取相同的地址可能會看到不同的值。

3. 基于snoop的緩存一致性協議和基于directory的緩存一致性協議有什么區別?

在基于Snoop的一致性協議中,來自處理器的數據請求被發送到共享系統里的所有其它處理器。其它處理器根據這個請求查看自己是否有數據的副本,并做出相應的響應。因此,每個處理器都試圖保持內存的一致性視圖。

在基于directory的一致性協議中,directory用于跟蹤哪些處理器正在訪問和緩存哪些地址。任何發出新請求的處理器都將檢查該directory,以了解是否有任何其它處理器用于數據副本,然后可以向該處理器發送點到點請求,以獲取最新的數據副本。

兩者的優缺點為:基于snoop的一致性協議用于較小的系統的話,如果有足夠的帶寬用于傳遞請求,它會更快。但對于較大的SMP系統不具有可伸縮性,因此需要為每個請求廣播消息,可能會使系統過載阻塞。基于directory的一致性協議由于在發送消息之前需要查找記錄的表,可能會有較長的延遲。但它沒有廣播消息,可伸縮性更好,通常用于較大的SMP系統中。

4. 什么是MESI協議?

MESI協議是具有多個write-back 類型cache的設計中最常用的cache一致性協議。MESI表示在所有cache中跟蹤每個cache line并用于響應snoop請求的狀態。這些不同的狀態可以解釋如下:

  • M(Modified):表示cache line數據相對于memory數據被修改過了,為dirty的。
  • E(Exclusive):此狀態表示cache line數據相對于內存是clean的,且只在該cache中存在。Exclusive屬性允許該cache所在的處理器對該cache line進行寫操作。
  • S(Shared):該狀態表示cache line被多個cache共享,并且相對memory也是clean的。由于這是在所有cache共享的,因此協議不允許直接對該cache line進行寫操作。
  • I(Invalid):該狀態表示cache line無效,沒有任何有效數據。
  • 當cache line處于除Invalid之外的任何狀態時,cache都可以處理讀請求。當cache line處于Modified或Exclusive狀態時,才可以處理寫請求。

5. 什么是MESIF和MOESIF協議?

這兩個協議都是MESI協議的擴展,引入了兩個新的狀態”F”和”O”,解釋如下:

  • F(Forward):F狀態時S狀態的一種特殊形式,表明cache應該通過轉發數據來充當給定cache line的任何請求的指定反饋者。如果系統中有多個cache具有處于S狀態的同一cache line,則將其中一個指定為F狀態,以便為來自不同處理器的新請求轉發數據。該協議確保,如果任何cache保存的cache line為S狀態,那么最多只有一個(其他)cache保存的cache line為F狀態。這種狀態有助于減少對memory帶寬的占用,因為沒有F狀態,即使一條cache line在多個cache中處于S狀態,它們都不能將數據轉發給請求讀或寫的不同處理器。(請注意,cache中的S狀態cache line只能服務于相同的處理器讀取)
  • O(Owned):O狀態時一種特殊的狀態,它是為了在不需要寫回memory的情況下在系統的不同cache中移動修改過的或dirty的數據而引入的。如果cache line還與其它可以使cache line保持S狀態的cache共享,則cache line需要從M狀態轉換到O狀態。O狀態有助于將修改后的數據推遲寫回memory,直到真正需要時再寫。

6. 什么是RFO?

RFO代表Read for Ownership。這是cache一致性協議中的一種操作。它是由處理器試圖寫入共享或無效狀態的cache line時發出的,這將導致所有其它處理器將該cache line的狀態設置為Invalid。RFO是意圖寫入該memory地址的讀操作。因此,該操作是排他的,它將數據讀到cache中,并使持有該memory地址的所有其它處理器的cache無效掉這個cache line。

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