(计算机组成原理)第三章存储系统-第六节4：Cache的写策略（写回法和全写法，写分配法和非写分配法）

Posted 2021-09-17 快乐江湖

文章目录

• 一：写命中
• • （1）写回法(write-back)
  • （2）全写法(write-through)
• 二：写不命中
• • （1）写分配法(write-allocate)
  • （2）非写分配法（not-write-allocate）
• 多级Cache

在(计算机组成原理)第三章存储系统-第六节2：Cache和主存的映射方式（全相联映射、直接映射和组相连映射）和(计算机组成原理)第三章存储系统-第六节3：页面置换算法（FIFO,近期最少使用算法-LRU，LFU）这两篇文章中我们分别探讨了主存、Cache之间的映射关系以及Cache的替换算法。关于Cache，我们最后解决的一个问题就是：如果保持Cache与数据母体的一致性？因为我们知道Cache中保存的只是主存的数据的副本，一旦进行写操作一定会导致两部分数据出现不一致，而对于读操作我们则不关心。这就是Cache写策略所要探讨的问题。

Cache写策略分写命中和写不命中两种情况。

• 写命中：有全写法和写回法
• 写不命中：有写分配法和非写分配法两种

一：写命中

写命中时主存块被调入Cache中，也即要被修改的单元在Cache中

（1）写回法(write-back)

写回法是指当CPU写命中时，只修改Cache中的内容，而不立即写入主存，只有当此块被换出时才写回主存

如下图，绿色主存块写命中修改时只在Cache上修改，而不立即写入主存，只有当绿色快被替换时才会写回主存。这种方法需要判断Cache是否被修改过，因此在对应Cache块还会增加一个“脏位”，用于标识是否修改过，如果对应为1表示修改过，那么在被替换时该Cache块中的内容会被写回至标记位所定位的主存块上。

写回法减少了访存次数，但是存在数据不一致的隐患

（2）全写法(write-through)

全写法又叫写直通法，是指当CPU对Cache写命中时，必须把数据同时写入Cache和主存，当某一块需要替换时，不必把这一块写回主存，新调入的块直接覆盖即可。

全写法实现简单，更能保持数据的一致性，缺点就是增加了访存次数，降低了Cache的效率

因此为了减少全写法直接写入主存的时间损耗，通常会在Cache和主存之间加入写缓冲（Write Buffer）。CPU同时写数据到Cache和写缓冲中，写缓冲再控制将内容写入主存，写缓冲是一个FIFO队列，可以解决速度不匹配的问题（注意频繁写会导致缓冲区溢出）

二：写不命中

（1）写分配法(write-allocate)

写分配法是指当写不命中时，会把主存的块加到Cache中，然后更新此Cache块，它，通常会结合写回法使用。

（2）非写分配法（not-write-allocate）

非写分配法是指当写不命中时，只会写入主存，不会调入Cache，会搭配全写法使用

多级Cache

现代计算机的Cache一般是多级的（通常3级），假定3级Cache**，按离CPU的远近可命名为L1 Cache、 L2 Cache、 L3Cache，离CPU越远，访问速度就越慢，容量也越大，反之相反。**其中指令Cache与数据Cache分离一般在L1级，此时通常为写分配法和写回法合用

下图是一个含有两级的Cache系统，L1对L2使用全写法，L2对主存使用写回法，由于L2的存在，其访问速度远大于主存，因此避免了因频繁写时导致的缓冲区溢出

如下图是资源管理器中显示的Cache信息