概述
處理器在通路存儲器時，通路的位址都是虛拟位址，經過TLB和MMU的映射後變成實體位址。TBL隻用于加速虛拟位址到實體位址的轉換過程。得到實體位址後，若每次都直接從實體記憶體中讀取資料，顯然會變慢。實際上，處理器都配置了多級的高速緩存來加快資料的通路速度。
實體高速緩存
當處理器查詢MMU和TLB并得到實體位址之後，使用實體位址查詢高速緩存，這種高速緩存稱為實體高速緩存。
缺點：使用實體高速緩存的缺點就是處理器在查詢MMU和TLB後才能通路高速緩存，增加了流水線的延遲時間。
實體高速緩存的工作流程如下圖：
虛拟高速緩存
若處理器使用虛拟位址來尋址高速緩存，稱為虛拟高速緩存。處理器在尋址時，首先把虛拟位址發送到高速緩存，若高速緩存裡找到需要的資料，就不需要通路TLB和實體記憶體。
缺點：會引入問題：1.重名(aliasing)問題，2.同名(homonyms)問題
虛拟高速緩存的流程圖：
總結：
1.不管是實體高速緩存和虛拟高速緩存，其實都是高速緩存，這裡采用虛拟/實體來區分查詢高速緩存的類别。
2.在查詢TLB前，都是先确認高速緩存是否被命中。
重名(Aliasing)問題
在作業系統中，多個不同的虛拟位址有可能映射相同的實體位址。由于采用高速緩存架構，那麼這些不同的虛拟位址會占用高速緩存中不同的高速緩存行，但是他們對應的是相同的實體位址。
例：VA1 和 VA2都映射到PA，在cache中有兩個cache line緩存了VA1和VA2。當程式往VA1寫入資料時，VA1對應的高速緩存行以及PA的内容會被更改，但是VA2還儲存着舊資料。這樣一個實體位址在高速緩存中就儲存了兩份資料，這樣會産生歧義。
同名(Homonyms)問題
- 相同的虛拟位址對應着不同的實體位址，因為作業系統中不同的程序會存在很多相同的虛拟位址，而這些相同的虛拟位址在經過MMU轉換後得到不同的實體位址，就産生了同名問題。
- 同名問題最常見的地方是程序切換。當一個程序切換到另外一個程序時，新程序使用虛拟位址來通路高速緩存的話，新程序會通路到舊程序遺留下來的高速緩存，這些高速緩存資料對于新程序來說是錯誤的并且是無用的。解決辦法是在程序切換時把舊程序遺留下來的高速緩存都置位無效，這樣就能保證新程序執行時得到一個幹淨的虛拟高速緩存。
高速緩存分類
- VIVT(virtual index virtual tag): 使用虛拟位址的索引域和虛拟位址的标記域，相當于虛拟高速緩存。
- PIPT(physical index physical tag): 使用實體位址的索引域和實體位址的标記域，相當于實體高速緩存。
- VIPT(virtual index physical tag)： 使用虛拟位址的索引和實體位址的标記域。
VIPT工作過程
處理器輸出的虛拟位址會同時做兩件事：
1.發送虛拟位址到TLB/MMU進行位址翻譯。
2.在高速緩存中進行索引和查詢高速緩存。
當上面兩件事情做完後，從1中可以得到PFN，可以得到實體位址的标記域(PT), 可以從2中得到高速緩存的标記域(tag)，對這兩個标記域進行比較，如果相等，說明高速緩存命中了，如果不等，cache miss。
VIPT重名問題
采用VIPT方式也有可能導緻高速緩存重名的問題。在VIPT中，使用虛拟位址的索引域來查找cache組，這時有可能導緻多個cache組映射到同一個實體位址上。以linux kernel為例，它是以4KB大小為一個頁面進行管理的，那麼對于一個頁來說，虛拟位址和實體位址的低12bit(bit(11:0))是一樣的。是以，不同的虛拟位址映射到同一個實體位址，這些虛拟位址頁面的低12位是一樣的。如果索引域位于bit[11:0]範圍内，那麼就不會發生高速緩存重名。例如，cache line是32Byte，那麼資料域偏移offset使用5bit，有128個cache組，那麼索引域使用7bit，這種情況下剛好不會發生重名。
VIPT重名執行個體
以Linux kernel為例，page為4KB，假如索引域為bit[12:0]，高速緩存的路(way)為8KB，則bit12索引高速緩存路(way)中的前4KB還是後4KB，bit[11:0]在4KB内進行索引。如下圖：
題目
在一個32KB的4路組相聯的cache中，其中cache line為32Byte，請畫出這個cache的cache line、way和set的示意圖。
答： 在Cortex-A7和Cortex-A9的處理器上可以看到32KB大小的4路組相聯cache。下面來分析這個cache的結構圖。
cache的總大小為32KB，并且4路(way)，是以每一路的大小為8KB： way_size = 32/4 = 8 (KB)
cache line的大小為32Byte，是以每一路包含的cache line數量為：num_cache_line = 8KB/32B = 256