并行文件系统的特点 计算机科学基础知识(一)The Memory Hierarc(7)

上面的章节主要描述读操作，对于写操作其实也存在cache hit和cache miss，这时候，系统的行为又是怎样的呢？我们首先来看看当cache hit时候的行为（也就是说想要写入数据的地址单元已经在cache中了）。根据写的行为，cache分成三种类型：

（1）write through。CPU向cache写入数据时，同时向memory也写一份，使cache和memory的数据保持一致。优点是简单，缺点是每次都要访问memory，速度比较慢。

（2）带write buffer的write through。策略同上，只不过不是直接写memory，而是把更新的数据写入到write buffer，在合适的时候才对memory进行更新。

（3）write back。CPU更新cache line时，只是把更新的cache line标记为dirty，并不同步更新memory。只有在该cache line要被替换掉的时候，才更新 memory。这样做的原因是考虑到很多时候cache存入的是中间结果（根据局部性原理，程序可能随后还会访问该单元的数据），没有必要同步更新memory（这可以降低bus transaction）。优点是CPU执行的效率提高，缺点是实现起来技术比较复杂。

在write操作时发生cache miss的时候有两种策略可以选择：

（1）no-write-allocate cache。当write cache miss的时候，简单的写入main memory而没有cache的操作。一般而言，write through的cache会采用no-write-allocate的策略。

（2）write allocate cache。当write cache miss的时候，分配cache line并将数据从main memory读入，之后再进行数据更新的动作。一般而言，write back的cache会采用write allocate的策略。

4、物理地址还是虚拟地址？

当CPU发出地址访问的时候，从CPU出去的地址是虚拟地址，经过MMU的映射，最终变成物理地址。这时候，问题来了，我们是用虚拟地址还是物理地址（中的cache set index）来寻找cache set？此外，当找到了cache set，那么我们用虚拟地址还是物理地址（中的Tag）来匹配cache line？

根据使用的是物理地址还是虚拟地址，cache可以分成下面几个类别：

（1）VIVT（Virtual index Virtual tag）。寻找cache set的index和匹配cache line的tag都是使用虚拟地址。

（2）PIPT（Physical index Physical tag）。寻找cache set的index和匹配cache line的tag都是使用物理地址。

（3）VIPT（Virtual index Physical tag）。寻找cache set的index使用虚拟地址，而匹配cache line的tag使用的是物理地址。

对于一个计算机系统，CPU core、MMU和Cache是三个不同的HW block。采用PIPT的话，CPU发出的虚拟地址要先经过MMU翻译成物理地址之后，再输入到cache中进行cache hit or miss的判断，毫无疑问，这个串行化的操作损害了性能。但是这样简单而粗暴的使用物理地址没有歧义，不会有cache alias。VIVT的方式毫无疑问是最快的，不需要MMU的翻译直接进入cache判断hit or miss，不过会引入其他问题，例如：一个物理地址的内容可以出现在多个cache line中，这就需要更多的cache flush操作。反而影响了速度（这就是传说中的cache alias，具体请参考下面的章节）。采用VIPT的话，CPU输出的虚拟地址可以同时送到MMU（进行翻译）和cache（进行cache set的选择）。这样cache 和MMU可以同时工作，而MMU完成地址翻译后，再用物理的tag来匹配cache line。这种方法比不上VIVT 的cache 速度, 但是比PIPT 要好。在某些情况下，VIPT也会有cache alias的问题，但可以用巧妙的方法避过，后文会详细描述。

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