ARM cache 工作方式

综述

现在的CPU的速度远远高于现代存储器的速度所以出现了cache。按和CPU距离分为L1级和L2级（SM）等。这里主要记录一下自己对cache的工作方式的学习理解。

cache工作方式

cahe是对内存数据的缓存从而加快CPU对数据的访问，那么前提肯定是之前从内存中读取过数据才会有缓存一说。那么该如何保证下次对同一块内存的访问时可以找到cache中的缓存呢？这就是cache的做工原理核心。先抛开cache的后续优化版本，从最简单的实现方式理解学习。最简单的就是使用 地址信息+data的key-val的方式来进行缓存就能按地址招待数据缓存这就是cache-line。那么这里data数据是多少byte合适呢？这取决于实现以最常见的32byte的大小来理解，在此此种情况下cache-line中的地址信息就不用记录最低的5bit从而简化设计；直接使用地址的低5bit来作为单缓存行行内的字节寻址，这就是cache映射的基本原理。根据这个原理cache的的映射分为如下几种。

cache映射方式分类

1. 全关联
   
   这个不清楚。

2. 直接映射
   
   直接映射就是上面原理介绍的方式，cache是一个单列的cache-line表如下图示意，而因为cache远小于内存所以cache仅能映射部分内存区域所以一个时间段他映射了内存的不同地址空间且是线性的映射，所以有可能发生“颠簸”。原因是假如有cache总共有四条缓存行，而地址0x*08都会映射到同一行，程序刚好要循环访问0x****10800和0x****20800这两个地址则就会出现cache被循环的换入换出，这里的08就是cache的index的概念。所以后来优化有了如下的方式来解决这个问题。
   
   

3. 组相连
   
   直接映射他的缺点就是在有些情况下会导致cache的“颠簸”。所以后来就想到了让同一个index的缓存行对应到两个缓存行上就形成了cache的组的概念，即index相同的cache称为一个组（set），这样一个index就会对应到组宽度n个cache-line，如果n为2则前面颠簸换出的概念就是原来的1/n即0.5这就是组映射。既然同一个index对应到不止一个cacae-line所以就会加上TAG的概念来区分同一个组的cache-line。组映射这里最后还有一个概念就是way，他就是一个cache所能映射的index区域，即如果index有5bit则一个way就是五个cache-line如下示意图所示的：
   
   

这样就是现代cache的缓存映射使用的策略，后续在介绍更加细节的内容。

cache 按组织方式分类

1. VIPT 虚拟索引物理TAG
   
   使用虚拟地址的一部分作为索引物理地址一部分作为TAG标记；算是VIVT的优化，页表切换了不需要整个cache无效，实现相对PIPT简单。
2. VIVT 虚拟索引虚拟TAG
   
   使用虚拟地址的一部分作为索引一部分作为TAG标记；存在物理地址重名，即多个虚拟地址缓存了同一块物理内存，而且在切换页表后需要cache整个无效。
3. PIPT 物理索引物理TAG
   
   使用物理地址的一部分作为索引一部分作为TAG标记，芯片设计实现起来复杂。

最早是全部使用虚拟地址作为index和tag的，但是因为存在多个虚拟地址映射到同一个物理地址的情况所以会造成cache的别名（浪费）且在多任务发生任务切换时的清空cache。所以后来优化使用了虚拟地址作为index物理地址作为TAG就能有效解决前面的问题，但是VIPT的还是会有cache别名的问题，所以后来又优化出了PIPT即全部使用物理地址从而彻底避免别名但是这种方式的最大问题就是硬件电路实现复杂。