C - 缓存大小和计算缓存集

Question

我正在尝试了解缓存基础知识。 如果我有

#define OFFSET_BITS (6)                              // 64 bytes cache line
#define SET_INDEX_BITS (5)                           // 32 sets
#define TAG_BITS (64 - OFFSET_BITS - SET_INDEX_BITS) //
#define NWAYS (8)                                    // 8 ways cache.

这台机器中的缓存大小是多少？ 它只是添加偏移量、设置和标记位吗？ 另外，假设我有一个地址0x40000100，为地址设置的缓存是什么？我该如何计算？

Answer 1

假设你有一个数组，如下所示：

uint8_t myCache[1 << SET_INDEX_BITS][NWAYS][1 << OFFSET_BITS];

对于NWAYS = 8、SET_INDEX_BITS = 5和OFFSET_BITS = 6;数组的大小(缓存的大小)将是16384字节(16KiB)。

请注意，"缓存大小"仅指缓存可以存储的数据量，不包括存储查找数据所需的标签的成本。

标签可以由第二个数组表示，如下所示：

myCacheTags[1 << SET_INDEX_BITS][NWAYS];

如果一个标签的成本为53位，那么256个标签的成本为13568位;因此，要实际实现缓存，您至少需要18080字节。当然，在 C 中(你不能有一个 53 位整数数组)，填充/对齐的成本会更高一些(标签数组最终每个标签的成本为 64 位)。

要在缓存中查找缓存行，您可以执行以下操作：

uint8_t *getCacheLine(uint32_t address) {
int setIndex = (address >> OFFSET_BITS) & (( 1 << SET_INDEX_BITS) - 1);
int myTag = address >> (OFFSET_BITS + SET_INDEX_BITS);
for(int way = 0; way < NWAYS; way++) {
if(myTag == myCacheTags[setIndex][way]) {
return myCache[setIndex][way];
}
}
return NULL;   // Cache miss
}

注意：通常，标签包含某种"有效或无效"标志(以防缓存中的条目根本不包含任何内容)，并且通常标签还包含表示缓存行最近使用情况的内容(对于某种"最近最少使用"的逐出算法)。我提供的示例代码不完整 - 它在执行if(myTag == myCacheTags[setIndex][way])时不会屏蔽这些额外的位，它不会检查任何有效/无效的标志，也不会更新标签以指示缓存行最近被使用。