cache是ARM最難理解，也是最具有閃光點的地方之一，現在是解決他的時候了。

高速緩沖存儲器是存在于主存與CPU之間的一級存儲器， 由靜態存儲芯片（SRAM）組成，容量比較小但速度比主存高得多， 接近于CPU的速度。 Cache的功能是用來存放那些近期需要運行的指令與數據。目的是提高CPU對存儲器的訪問速度。為此需要解決2個技術問題：一是主存地址與緩存地址的映象及轉換； 二是按一定原則對Cache的內容進行替換。

Cache是介于CPU與主內存之間、或者主內存與磁盤之間的高速緩沖器，其作用是解決系統中數據讀寫速度不匹配的問題。其中介于CPU與主內存之間的緩沖器又稱為RAM Cache，而介于主內存與磁盤驅動器之間的緩沖器則稱之為Disk Cache，這里要討論的是前者，也就通常簡稱的Cache。

cache結構與工作原理

首先，要想理解cache，先理解內存。內存的簡單表示如下圖，內存里面的內容的查找是根據地址來進行的，也就是說內存包含兩點①地址②內存的內容（存的數據），根據地址來找數據。

圖1 內存的結構

上圖的0000~0008是地址，A~I是存的數據，cpu根據地址去尋找數據。圖中的一個字母代表一個字節的數據。

我們都清楚，cache中的數據就是物理內存中的數據的子集，那么對于物理內存的一個數據，根據cache中可以放置這個數據位置的多少，可以分為三種：①如果cache中只有一個位置可以容納這個數據，則為直接映射的cache；②如果cache中有多個地方可以放置這個數據，它就是組相聯的cache；③如果cache中的任何地方都可以放置這個數據，那么它就是全相連的cache；如下圖2所示：

圖2 cache的三種組成方式

更詳細的講，cache的結構其實和內存的結構類似，也包含地址和內容，只是cache的內容除了存的數據（data）之外，還包含存的數據的物理內存的地址信息（tag），因為CPU發出的尋址信息都是針對物理內存發出的，所以cache中除了要保存數據信息之外，還要保存數據對應的地址，這樣才能在cache中根據物理內存的地址信息查找物理內存中對應的數據。（當然為了加快尋找速度，cache中一般還包含一個有效位（valid），用來標記這個cache line是否保存著有效的數據）。一個tag和它對應的數據組成的一行稱為一個cache line。如下圖所示，下表中的一行就是一個cache line。

圖3 cache的基本結構

具體的Data、Valid、Tag各有多大，在介紹了內存的地址劃分之后再在下文中講。

知道了cache的結構之后，如何在cache中去尋找對應的數據呢？簡單起見，我們先選擇 直接映射的cache組成方式進行下文的分析。

首先對于一段物理內存（block），該物理內存上的每個字節的地址劃分為以下幾段：［3］

圖4 處理器物理內存地址的劃分

這樣的話物理內存中的數據到cache的映射關系如下圖5所示：

圖5 cache的查找過程

上圖的映射原則就是：根據物理地址的中間三位（index字段）來定位當前數據應該在cache的哪一行，把物理地址的tag字段和該地址對應的內容放入對應的cache line的tag字段和data字段，并把相應的valid位置1。那么在之后進行cache尋找的時候就可以根據cache line的tag字段來辨認當前line中的數據是數據哪個block的。

上圖5中的地址00 000 00~11 111 11按照圖4的原則進行地址劃分：地址的最高兩位為Tag字段；中間三位為index字段；最低兩位為Block Offset 字段；由于Block Offset是兩位，也就是一個block的大小是22=4個字節的數據，也就是一個cache line的data字段包含4個字節的數據；index為3位，說明cache共包含23=8個組（對于直接映射的cache，也稱為8個行）；很明顯，cache的一個行中只能存儲1 塊（Block ）=4字節的數據，但是按照圖5的映射方式，會有2^（tag位數） = 2^2 = 4塊的數映射到同一個行，此時通過Tag字段的比較來辨別是不是我們要取數據的地址，如果不是的話，也就是發生了cache的缺失。如圖5的Block 0和Block 1的index字段都是000，按照上面的理論它們都應該映射到第 000=0行（這兒的行也就是組，因為圖5是直接映射的cache），但是現在第0行的內容是K、L、M、N，也就是Block 1的內容，為什么呢？仔細看該cache line的tag=01，映射到第0行的塊只有Block 1的tag字段=01，所以可以得知此時該cache line中存儲的數據是Block 1的數據，此時如果CPU發出的訪存請求是訪問Block 0 的話，也就是發生了缺失。此時進一步定量分析的話，共有4個數據塊競爭使用cache 第0行的位置，也就是說cache的命中率為25%。

上面的過程總結起來就是：物理內存的索引字段（Index）選擇cache 的行，通過對比物理內存和cache line的Tag來判斷是否命中。塊偏移字段（Block Offset）可以從cache line的數據塊中選擇期望數據。注意在這個過程中cache的index是不占空間的，它就類似于物理內存的地址，對于物理內存來說是通過地址去尋找數據，對于cache來說，是通過index來找到對應的cache line，或者更通俗的講就是：cache line的地址對應的就是物理內存的index字段。

此時該cache的容量計算如下：每一個cache line的數據字段占4個字節，共23=8行，所以數據占據4×8=32個字節，一個cache line中tag字段和valid位占2+1=3bit，整個cache的tag+valid=3bit×8行=24bit=3Byte，通常情況下我們都是一cache中數據部分占的空間表示cache的容量，也就是32字節，但是實際上，它還額外多占用了3字節的存儲空間［4］。

圖5的分析是針對直接映射的cache進行的，對于組相聯或者全相連的cache的分析與之類似。如果是組相連的cache，每個組（set）里面包含多個行（line），通過內存地址的index字段來尋址組，確定組之后再根據tag來確定是否命中；對于全相連的cache，就不需要index字段了，因為全相連的cache相當于只有一個組的組相連cache。這是只需要根據要尋址的地址的tag來逐一與cache中的tag字段比較，如果有與之匹配的cache line，也就是cache hit了，如果遍歷整個cache，也沒有找到匹配的cache line，那就是cache miss了。

注：為了敘述的簡單性，省略了內存地址通過TLB的的虛實轉換部分，由［1］可知，內存地址的Tag部分其實是需要先經過TLB的轉化才能夠去和cache line的tag部分去進行匹配的。