CACHE简述
1. 为什么要使用CACHE
- CPU速度越来越快
- 处理的数据量越来越大，需要更大的内存
- 内存速度越快，价格越高，大容量存储器，一般价格低廉，但是速度慢。
2. 局部原则
Cache减少内存存取时间是利用内存存取具有局部特性。就是说如果内存某一处的数据在某一时刻被存取，那么它周围的数据就非常有可能继续被存取。也就是数据存取具有两个局部特性：时间上的局部性（即红字“某一时刻”），及，和空间上的局部性（即红字“周围的数据”）。CACHE真是利用数据存取的这两个特性来提供内存存取效率的。珍贵的容量小速度的cache内存，保存着当前这段时间最有可能使用的数据。
3. Cache内存结构概述
4. Cache的基本概念
4.1 直接映射（Direct-Mapped）Caches
以程序CACHE L1P为例解释Direct-Mapped Cache是如何工作的。
每个line frame（或叫CACHE Line长度是32字节）总是映射到内存同样的固定地址，例如，地址0000-0019h总是cache在line frame 0，3fe0-3fff总是被cache到帧511
读迷失：
假设CPU要取0020h单元的内容，且cache完全是无效的，也就是说所有的line frame均没有cache数据，那么每个line frame的有效标志V为0，V = 0，表示对应的cache line frame无效，即不包含有效数据，当cpu请求读0020h时，cache控制器将其地址分成三部分：如下图
Set 部分（bit13-5）表示cpu的地址映射到cache的哪个集（set）上，这里，一个set等价于一个line frame。那么对于0020h这个地址，set是1，控制器然后检查tag（bit31-14）和有效位V。我们开始假设所有的V都是0，所以，cache控制器认为cache出现了迷失，也就是请求的数据不包含在cache里。
那么cache控制器就会从外部内存中一下把（0020-0039）渠道line frame 1里，地址的tage部分存储在tag RAM里，有效位设为1，表示这个set包含了有效数据，取到数据也送给cpu，这样一次因迷失的外部存取就完成了。
读命中：
Cache控制器降低至拆分成三部分，set部分决定set位置，存储的tag部分同请求的地址相比较，这个比较是必要的，因为许多内存中的多个line都映射到同一个set上，，如果我们存取地址是4020h，那么同一个set的tag不一样，也是一次迷失，如果地址0020被存取，那么tag比较正确，V也是1，那么cpu的这次存取被cache命中，并将cpu所要的数据送给cpu，完成一次命中存取。
- Cache迷失的类型
造成迷失有多种好几种情况：冲突（conflict）和容量（capacity）迷失、强制（compulsory）迷失。
4.2 集相关（Set-Associative）Caches
同direct-mapped cache不一样，图中的2-way cache里，每个set包含两个line frame（cache line 长度是64byte），一个line frame在way 0，另一个才way 1，内存的一个line依然映射到一个set，但是现在就有可能存到两个line里的某一个了。
读命中：
哪个way被读命中，哪个way里的line frame被读取。
读迷失：
如果2个way都迷失，那么数据需要从内存中取进cache，到底存放在哪个way的line里，由LRU位来确定。每个set有一个LRU，如果LRU = 0，那么把取到内容放到way 0的line frame，如果LRU = 1，那么放到way 1里的line frame。每当对line frame进行存取时，LRU的状态都会改变，也就是说当一个way被存取后，LRU总是切换到另外一个way，这样了防止最近使用的line被覆盖。注意，LRU仅在迷失时才查询，但是它的状态在每次line frame被存取时都会被更新，不管是否被命中或迷失，也不管是读还是写。
写迷失：
L1D是读定位的cache，这意味着，只有发生读迷失的时候，才会导入易的一行，当写迷失发送时，数据通过写缓冲写到较低级内存，这样旁路了L1D cache。
写命中：
当发生写命中的时候，数据写入到擦车，当并不立刻送到低一级内存，这种类型的cache我们脚write-back cache，因为cpu写入的数据并不立刻回写到内存。为了回写被修改的数据，你必须知道cpu写的是哪个行，由于这个原因，每个cache line有个D标志，初始化时D = 0，当cpu修改了相关行的内容时，这个cache line的D置为1，当由于读迷失需要重新加载这个cache line时，如果D = 1，则会把这个脏line回写到内存中，如果内容没有被修改（干净的line），则直接废弃。
4.3 L2级Cache
L2 cache的操作与L1 cache是一样的。
5. 存取流程图
6. Cache带来的内存一致性问题