？→ 快取記憶體管理機制的小疑問

作者：無痕之音│2009-12-25 01:25:10│巴幣：4│人氣：3031

我發這篇是因為看水球專欄所衍生的疑問...。
首先來說明一下該文作者所假設的處理器規格：

1.16 位元處理器
2.記憶體定址空間最高 64KB
3.記憶體最小存取單元 1位元
4.快取長度 4 位元(Byte)
5.處理器內建 2KB快取
6.全部用 10 進位表示，而非原生的 16 進位表示法

好，假設完~~效能爆濫的~~處理器規格後，我們知道記憶體快取管理機制有三種：

第 1 種，就是全關聯式 (Fully Associative)
這是一種見縫插針，不利於實做大型化快取的方式，但有最高的容量利用率，之所以對大型快取不利的原因，就是因為這種快取會比對所有標籤組，故命中 (HIT) 要花很長的延遲。

目前實做主要應用於犧牲快取 (Victim cache)，該小快取主要放在兩層 L 快取用來暫存被上層捨棄的資料；

如圖所示，左下角是快取眼中的 16 位元記憶體位址樣子。
快取資料存取的方式是直接比對標籤，再比對有效位元，如此就可以定址整個主要記憶體區塊了。

2.第 2 種，就是直接對映式 (Direct Mapped)
這是基於第一種「大風吹」標籤過長不利大型快取的改良版，它首次將主記憶體區塊以矩陣(Array)的方式，分成標籤和索引的方式來對應管理，定址方式如下：

1.從記憶體位址(圖面左下角所示)的前5個位元，比對標籤組，確定資料位於主記憶體哪個標籤。
2.比對有效位元確定該標籤是否含有效的資料。
3.最後比對索引組，便可直接塞入對應的主記憶體區塊。

從圖中可以看到快取區塊與主記憶體間的關係。
這樣的方式有明顯的缺點：容量利用率是最低的。
因為直接對映式是以 1 個快取區塊對應(防守) 32 個主記憶體區塊 (也就是單一索引區塊)。
若其中一筆資料頻繁地對快取進行存取，其它 31 區塊通通只能隔岸觀火(XD)

這邊我的問題是 (對這方面不懂的不用回答了 @@ )
資訊科系懂的話麻煩解惑一下，感恩不盡：
關於那個標籤，不是 512 X 5 位元嗎 = =?
那總大小簡直比快取還要大，是不是有點怪怪的...?
而且索引總數是 512 個，跟512 X 5 標籤的對應關係是如何的，因為最多只有 32 個，搞不懂。

3.第 3 個就是組關聯式 (Set Associative)
這是基於第 2 個及第 1 個優缺點折衷改良的版本，也是目前所有高效能處理器一律採用的快取管理方式，彈性大、擴充性佳、容量利用率高。如目前的 eeepc 所用的 ATOM 處理器即是 8 組關聯式快取。

圖中表示標籤的 6 位元跟有效位元必須對應組數(Set)，而實做一樣的 2 組區塊。
您可以看出來跟第 2 組快取相較之下容量利用率提升一倍，相對效能降低了一點 (但遠比第 1 種好很多)
這個方式的小缺點也是存在：如將組關聯數增加，那相對標籤就會增加、索引數減少；
一但索引消失，那就跟第一種全關聯式是一樣的。

目前，除了組關聯式快取管理機制以外，依據區域性原則衍生的多重預測機制，可以做到跟第二種快取方式一樣的低延遲，所謂區域性原則有 2：

1.時間區域性 (Time Locality)：簡單的說，如您在短時間內被叫去做某件事，那麼短時間內必然還會被叫去做某件事，這就是時間區域性。
2.空間區域性 (Space Locality)：簡單的說，如您在某一地方跟某人碰面了，那麼往後您在那個地方跟那人碰面的機率會很高，這就是空間區域性。

所謂預測，自然就是事先預測這一次您考了 100分，下一次會不會考鴉蛋 XD

以上，有誰可以回答我的問題 @@
對於資訊科班的人而言，這問題也許對您微不足道，但個人不是...
就跟許多人一樣，是半路出家自學的處理器玩家。

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