从程序员的角度看cache（二）

　　同样的物理地址在不同的任务中可能被描述成不同的虚拟地址。这可能导致同样的物理地址被存入到高速缓存两个不同的数据项。许多MIPS CPU没有硬件来检测或者避免这种高速缓存重影（cache alias）而把问题留给操作系统的内存管理程序来解决。

　　大多数现代的 MIPS CPU拥有回写式、虚拟索引、物理标签、两路或者四路组相连的一级高速缓存。高速缓存管理通过一条特殊的cache指令进行。

 

　　地址空间的内容是数据，地址空间的属性是地址，我们可以得出每个数据有多个地址。因此，每一个数据元数都可以有一个虚拟地址和物理空间（数学中映射的概念）。

　　Memory 作为disk的缓存，其数据也是以固定的data block（一般称为页）进行缓存的，disk的数据被划分成数个大小相同的data block，而memoryt也被划分成数个大小相同的data block。VM system将虚拟内存划分成一个一个的固定大小的块，称为virtual pages（VPs）。物理内存也被划分成physical pages（PPs），物理页也被称为页帧（page frames）。虚拟页被划分成三个子集：Unallocated（还没有创建的页）、cached（已创建了页，且已分配物理内存）、Uncached（创建了页，但是没有相应的物理内存）。由于从disk到memory一级的cache miss（此处一般称为page fault） 的peanlty太大，因此我们对于memory采用fully associative方式，而且采用更好的替换策略，我们也会采用write-back策略对待向memory中写入数据。

　　同一般意义上的cache一样，VM system需要决定virtual page是否被缓存进physcial page、被缓存进那个physical page，以及当发生miss时该采用何种策略进行替换。这一系列的事情不同于硬件上的cache，而是与操作系统软件、MMU、以及存放在物理内存上的page table相关（page 决定将virtual page映射至哪个physical page）。page table 是有page entry组成的数组，每个page entry含有一个标志位（指示是否有效），还有一个数值。若有效位是0，则当数值是一个NULL时表示unallocated，若是其他值表示allocated；当有效位是1，则数值表示cached，对应的physical page的物理起始地址。当我们使用库函数malloc时仅仅是在将page table的page entry的有效位仍保持为0，但是数值位却被指向disk上相应page的首地址(allocated)。操作系统为每个进程都维护这一个page table和一个virtual address space。

基本参数：

2^n虚拟地址空间范围，2^m物理地址空间范围，P=2^p物理页数。虚拟地址的构成：VPO：virtual page offset  VPN:virtual page number TLBI:tlb index  TLBT:tlb tag  物理地址构成：PPO：physical page offset PPN:physical page number CO:byte offset within cache block CI：cache index  CT:cache tag 

每个CPU中有个控制寄存器,PTBR指向相应进程的页表基址。

 

我们考虑一下当没有TLB时的page hits 与page faults 过程：

TLB组成（书上讲TLB是由page table entry组成，但是与其以后讲的内容有些不符）

 

CPU发出VA，取其高位部分TLBI进行选择哪个条目，TLBT进行匹配。

 

 

结合下图就可以基本了解其操作过程:

 

关于cache alias问题：

         操作系统中，页的大小通常为4KB，故VPA与PPA的低十二位相同。对于一级cache而言，我们采用VPA作为索引，而PPA作tag，因此当S*B<=2^12时是不会出现cache alias 问题的。当S*B>2^12时会出现cache alias问题，这一点在管理cache时尤其需要注意。

关于对于一级cache用VPA作索引，而PPA作tag解释：

　　mips都是用虚拟地址为一级高速缓存提供快速索引，用物理地址标记每一个高速缓存行。对应高速缓存行的物理地址是唯一的而且效率更高，因为这样的设计允许CPU在查找高速缓存的同时进行程序地址到物理地址的转换。这可以加速cache的操作过程。假设S*B=2^12，故可以用VPA的低12位作为索引（VPA的低十二位此时与PPA的低十二位相同）。当我们从PTE中获取PPN时，此时PPN即可作为tag，与预先从cache中已经索引出的数据进行匹配，所以……