CACHE簡述
1. 為什麼要使用CACHE
- CPU速度越來越快
- 處理的資料量越來越大，需要更大的記憶體
- 記憶體速度越快，價格越高，大容量存儲器，一般價格低廉，但是速度慢。
2. 局部原則
Cache減少記憶體存取時間是利用記憶體存取具有局部特性。就是說如果記憶體某一處的資料在某一時刻被存取，那麼它周圍的資料就非常有可能繼續被存取。也就是資料存取具有兩個局部特性：時間上的局部性（即紅字“某一時刻”），及，和空間上的局部性（即紅字“周圍的資料”）。CACHE真是利用資料存取的這兩個特性來提供記憶體存取效率的。珍貴的容量小速度的cache記憶體，儲存着目前這段時間最有可能使用的資料。
3. Cache記憶體結構概述
4. Cache的基本概念
4.1 直接映射（Direct-Mapped）Caches
以程式CACHE L1P為例解釋Direct-Mapped Cache是如何工作的。
每個line frame（或叫CACHE Line長度是32位元組）總是映射到記憶體同樣的固定位址，例如，位址0000-0019h總是cache在line frame 0，3fe0-3fff總是被cache到幀511
讀迷失：
假設CPU要取0020h單元的内容，且cache完全是無效的，也就是說所有的line frame均沒有cache資料，那麼每個line frame的有效标志V為0，V = 0，表示對應的cache line frame無效，即不包含有效資料，當cpu請求讀0020h時，cache控制器将其位址分成三部分：如下圖
Set 部分（bit13-5）表示cpu的位址映射到cache的哪個集（set）上，這裡，一個set等價于一個line frame。那麼對于0020h這個位址，set是1，控制器然後檢查tag（bit31-14）和有效位V。我們開始假設所有的V都是0，是以，cache控制器認為cache出現了迷失，也就是請求的資料不包含在cache裡。
那麼cache控制器就會從外部記憶體中一下把（0020-0039）管道line frame 1裡，位址的tage部分存儲在tag RAM裡，有效位設為1，表示這個set包含了有效資料，取到資料也送給cpu，這樣一次因迷失的外部存取就完成了。
讀命中：
Cache控制器降低至拆分成三部分，set部分決定set位置，存儲的tag部分同請求的位址相比較，這個比較是必要的，因為許多記憶體中的多個line都映射到同一個set上，，如果我們存取位址是4020h，那麼同一個set的tag不一樣，也是一次迷失，如果位址0020被存取，那麼tag比較正确，V也是1，那麼cpu的這次存取被cache命中，并将cpu所要的資料送給cpu，完成一次命中存取。
- Cache迷失的類型
造成迷失有多種好幾種情況：沖突（conflict）和容量（capacity）迷失、強制（compulsory）迷失。
4.2 集相關（Set-Associative）Caches
同direct-mapped cache不一樣，圖中的2-way cache裡，每個set包含兩個line frame（cache line 長度是64byte），一個line frame在way 0，另一個才way 1，記憶體的一個line依然映射到一個set，但是現在就有可能存到兩個line裡的某一個了。
讀命中：
哪個way被讀命中，哪個way裡的line frame被讀取。
讀迷失：
如果2個way都迷失，那麼資料需要從記憶體中取進cache，到底存放在哪個way的line裡，由LRU位來确定。每個set有一個LRU，如果LRU = 0，那麼把取到内容放到way 0的line frame，如果LRU = 1，那麼放到way 1裡的line frame。每當對line frame進行存取時，LRU的狀态都會改變，也就是說當一個way被存取後，LRU總是切換到另外一個way，這樣了防止最近使用的line被覆寫。注意，LRU僅在迷失時才查詢，但是它的狀态在每次line frame被存取時都會被更新，不管是否被命中或迷失，也不管是讀還是寫。
寫迷失：
L1D是讀定位的cache，這意味着，隻有發生讀迷失的時候，才會導入易的一行，當寫迷失發送時，資料通過寫緩沖寫到較低級記憶體，這樣旁路了L1D cache。
寫命中：
當發生寫命中的時候，資料寫入到擦車，當并不立刻送到低一級記憶體，這種類型的cache我們腳write-back cache，因為cpu寫入的資料并不立刻回寫到記憶體。為了回寫被修改的資料，你必須知道cpu寫的是哪個行，由于這個原因，每個cache line有個D标志，初始化時D = 0，當cpu修改了相關行的内容時，這個cache line的D置為1，當由于讀迷失需要重新加載這個cache line時，如果D = 1，則會把這個髒line回寫到記憶體中，如果内容沒有被修改（幹淨的line），則直接廢棄。
4.3 L2級Cache
L2 cache的操作與L1 cache是一樣的。
5. 存取流程圖
6. Cache帶來的記憶體一緻性問題