降低Cache失效率的方法[2]

降低Cache失效率的方法[2]

表4.7列出了在这两种极端情况之间的各种块大小和各种 Cache 容量的平均访存时间。速度最快的情况： Cache 容量为1KB、4KB、16KB的情况下块大小为32字节时速度最快；容量为64KB和256KB时，64字节最快。实际上，这些块大小都是当今处理机器 Cache 中最常见的。

    如前所述， Cache 设计者一直在努力同时减少失效率和失效开销。从失效开销的角度来讲，块大小的选择取决于下一级存储器的延迟和带宽两个方面。高延迟和高带宽时，宜采用较大的 Cache 块，因为这时每次失效时，稍微增加一点失效开销，就可以获得许多数据。与之相反，低延迟和低带宽时，宜采用较小的 Cache 块，因为采用大 Cache 块所能节省的时间不多。一个小 Cache 块失效开销的两倍与一个两倍于其大小的 Cache 块的失效开销差不多，而且采用小 Cache 块，块的数量多，有可能减少冲突失效。

 4.3.2提高相联度

    表4.5和图4.3.1、图4.3.2已经说明了提高相联度会使失效率下降。从中我们可以得出两条经验规则。第一，对于表中所列出的 Cache 容量，从实际应用的角度来看，8路组相联在降低失效率方面的作用已经和全相联一样有效。也就是说，采用相联度超过8的方法实际意义不大。第二条规则叫做2：1 Cache 经验规则，它是指容量为N的直接映象 Cache 的失效率和容量为N/2的两路组相联 Cache 差不多相同。

    许多例子都说明，改进平均访存时间的某一方面是以损失另一方面为代价的。增加块大小的方法会在降低失效率的同时增加失效开销，而提高相联度则是以增加命中时间为代价。Hill曾发现，当分别采用直接映象和两路组相联时，对于 TTL 或 ECL 板级 Cache ，命中时间相差10 %；而对于定制的 CMOS Cache，命中时间相差2 %。所以，为了实现很高的处理器时钟频率，就需要设计结构简单的 Cache；但时钟频率越高，失效开销就越大（所需的时钟周期数越多）。为减少失效开销，又要求提高相联度。下面通过一个例子进一步说明。

    例4.5 假定提高相联度会按下列比例增大处理器时钟周期：

    时钟周期2路 ＝1.10×时钟周期1路

    时钟周期4路 ＝1.12×时钟周期1路

    时钟周期8路 ＝1.14×时钟周期1路

    假定命中时间为1个时钟，直接映象情况下失效开销为50个时钟周期，而且假设不必将失效开销取整。使用表4.5中的失效率，试问当 Cache 为多大时，以下不等式成立？

    平均访存时间8路 < 平均访存时间4路

    平均访存时间4路 < 平均访存时间2路

    平均访存时间2路 < 平均访存时间1路

    解： 在各种相联度的情况下，平均访存时间分别为

    平均访存时间8路 = 命中时间8路 + 失效率8路 ×失效开销8路

    = 1.14＋失效率8路 ×50

    平均访存时间4路 = 1.12 ＋失效率4路 ×50

    平均访存时间2路 = 1.10 ＋失效率2路 ×50

    平均访存时间1路 = 1.00 ＋失效率1路 ×50

 在每种情况下的失效开销相同，都是50个时钟周期。把相应的失效率代入上式，即可得平均访存时间。例如，1KB的直接映象 Cache 的平均访存时间为

    平均访存时间1路 = 1.00 ＋（0.133×50） ＝ 7.65

    容量为128KB的8路组相联 Cache 的平均访存时间为：

    平均访存时间8路 ＝1.14 ＋（0.006×50） ＝ 1.44

    利用这些公式和表4.5中给出的失效率，可得各种容量和相联度情况下 Cache 的平均访存时间，如表4.8所示。表中的数据说明，当 Cache 容量不超过16KB时，上述三个不等式成立。从32KB开始，对于平均访存时间有：4路组相联的平均访存时间小于2路组相联的，2路组相联的小于直接映象的，但8路组相联的却比4路组相联的大。

    请注意，本例中没有考虑时钟周期增大对程序其它部分的影响。

 4.3.3Victim Cache

    增加 Cache 块大小和提高相联度是从 Cache 一出现就被体系结构设计者们用来降低失效率的两种经典方法。从本小节开始，我们来看一看近几年提出的几种方法，这些方法能在不影响时钟周期或失效开销的前提下降低 Cache 失效率。

    一种能减少冲突失效次数而又不影响时钟频率的方法是：在 Cache 和它与下一级存储器的数据通路之间增设一个全相联的小 Cache ，称为Victim Cache。图4.3.4为其结构框图。 Victim Cache 中存放由于失效而被丢弃（替换）的那些块（即victim）。每当发生失效时，在访问下一级存储器之前，先检查 Victim Cache 中是否含有所需的块。如果有，就将该块与 Cache 中某个块做交换。Jouppi于1990年发现，含1到5项的 Victim Cache 对减少冲突失效很有效，尤其是对于那些小型的直接映象数据 Cache 更是如此。对于不同的程序，一个项数为4的 Victim Cache能使一个4KB直接映象数据 Cache 的冲突失效减少20%～90%。

    从 Cache 的层次来看， Victim Cache 可以看成位于 Cache 和存储器之间的又一级 Cache ，采用命中率较高的全相联策略，容量小，而且仅仅在替换时发生作用。

 4.3.4伪相连Cache

    有一种方法既能获得多路组相联 Cache 的低失效率又能保持直接映象 Cache 的命中速度，这种方法称为伪相联或列相联。

    1. 基本思想及工作原理

    采用这种方法时，在命中情况下，访问 Cache 的过程和直接映象 Cache 中的情况相同；而发生失效时，在访问下一级存储器之前，会先检查 Cache 另一个位置（块），看是否匹配。确定这个另一块的一种简单的方法是将索引字段的最高位取反，然后按照新索引去寻找伪相联组中的对应块。如果这一块的标识匹配，则称发生了伪命中。否则，就只好访问下一级存储器。

    2. 快速命中与慢速命中

    伪相联 Cache 具有一快一慢两种命中时间，它们分别对应于正常命中和伪命中的情况。图4.3.5中绘出了它们的相对关系。使用伪相联技术存在一定的危险：如果直接映象 Cache 里的许多快速命中在伪相联 Cache 中变成慢速命中，那么这种优化措施反而会降低整体性能。所以，要能够指出同一组中的两个块哪个为快速命中，哪个为慢速命中，这是很重要的。一种简单的解决方法就是交换两个块的内容。

下面通过一个例子来说明伪相联带来的好处。

    例4.6 假设当在按直接映象找到的位置处没有发现匹配，而在另一个位置才找到数据（伪命中）需要2个额外的周期。仍用上个例子中的数据，问：当 Cache 容量分别为2KB和128KB时，直接映象、两路组相联和伪相联这三种组织结构中，哪一种速度最快？

    解： 首先考虑标准的平均访存时间公式：

    平均访存时间伪相联 ＝ 命中时间伪相联＋失效率伪相联×失效开销伪相联

    我们从该公式的最后一部分着手。不管我们对命中的情况做了何种改进，失效开销总是相同的。为了确定失效率，需要知道什么时候会发生失效。只要我们总是通过把索引的最高位变反的方法来寻找另一块，在同一“伪相联”组中的两块就是用同一个索引选择得到的，这与在两路组相联 Cache 中所用的方法是一样的，因而它们的失效率相同，即

    失效率伪相联 ＝ 失效率2路

    再看命中时间。伪相联 Cache 的命中时间等于直接映象 Cache 的命中时间加上在伪相联查找过程中命中（即伪命中）的百分比乘以该命中所需的额外时间开销，即

    命中时间伪相联＝命中时间1路＋伪命中率伪相联×2

    伪相联查找的命中率等于两路组相联 Cache 的命中率和直接映象 Cache 命中率之差：

    伪命中率伪相联 ＝命中率2路－命中率1路

    ＝（1－失效率2路）－（1－失效率1路）

    ＝失效率1路－失效率2路

    综合上述分析，有

    平均访存时间伪相联＝命中时间1路＋（失效率1路－失效率2路）×2

    ＋失效率2路×失效开销1路

    将表4.5中的数据代入上面的公式，得

    平均访存时间伪相联，2KB ＝1＋（0.098－0.076）×2＋（0.076×50）＝4.844

    平均访存时间伪相联，128KB＝1＋（0.010－0.007）×2＋（0.007×50）＝1.356

    根据上一个例子中的表4.8，对于2KB Cache ，可得

    平均访存时间1路 ＝5.90 个时钟

    平均访存时间2路 ＝4.90 个时钟

    对于128KB的 Cache 有，可得

    平均访存时间1路 ＝1.50 个时钟

    平均访存时间2路 ＝1.45 个时钟

    可见，对于这两种 Cache 容量，伪相联 Cache 都是速度最快的。

    尽管从理论上来说，伪相联是一种很有吸引力的方法，但它的多种命中时间会使 CPU 流水线的设计复杂化。因此伪相联技术往往应用在离处理器比较远的 Cache 上，如二级Cache。