컴퓨터구조 캐시메모리 사상함수, 교체알고리즘 - [컴퓨터 구조]

3. 캐시 기억장치

3.1 사상 함수

캐시 라인의 수는 주기억장치의 블록 수보다 적기 때문에 주기억장치 블록을 캐시 라인으로 매핑 해주는 알고리즘 필요

ex)

• 캐시 메모리 64KB 용량 = 2^16 (16비트)
• 캐시와 주기억장치 데이터 전송은 4Byte-Block 2^2 = 2비트
• 캐시는 총 2^14 개의 4바이트로 구성 16K개
• 주기억장치는 16MB = 2^24 (24비트)
• 주기억장치는 총 2^22개의 4바이트로 구성, 4M개

3.1.1 직접 사상

주기억장치의 블록을 한 캐시의 라인으로만 사상.

• 한 블럭이(라인) 4바이트 이기 때문에 총 라인의 주소는 총 14비트가 필요

• 주소 길이 = 24bits

• 블록 크기 = 4byte

• 주기억장치의 크기 = 2^24 = 16MB

• 주기억장치의 블록수 = 2^22 = 4M개

• 캐시 내의 라인 수 = 2^14 = 16K개

• 캐시 크기 = 2^16 = 64KB

• 라인이 14비트면 방이 2^14 개라는 것
  ))
  
  
  

• 라인을 읽었을때 태그를 확인하고 일치하면 캐시에서 데이터를 사용하고 일치 하지 않으면 태그+라인으로 주기억장치 주소로 사용해 주기억장치에서 데이터를 가져온다.

장단점

• 구조가 간단하고 비용이 적게된다
• 캐시 위치가 고정되어서 적중률이 낮다

3.1.2 연관 사상

캐시의 어떤 라인으로 적재 할 수 있도록 허용

• 주소 길이 = 24bits
• 블록 크기 = 4Byte
• 주기억장치 내 블록의 수 = 2^22 = 4M
• 태그의 크기 = 22bit, s비트

• 캐시에서 데이터를 찾을때 태그를 병렬로 뿌림.

장단점

• 새로운 블럭이 캐시로 읽혀질 때 교체에 있어 융통성이 있다.
• 캐시 라인을 병렬로 검사할 복잡한 회로가 필요.

3.1.3 세트 연관 사상

캐시를 여러개의 세트들로 나누어, 각 세트들은 여러 개의 라인들로 구성

m = v X k

i = j modulo v

• i = 캐시세트 번호

• j = 주기억장치 블록 번호

• m = 캐시 내의 라인수

• v = 세트 내의 수

• k = 세트의 수 k-way세트연관

• k = 1, v = m 이면 직접사상이다.

• k = m , v = 1 이면 연관사상이다

• 2-way세트 연관 사상이라 캐시의 같은setNumber에 2개의 데이터들이 존재하며 이는 태그로 구별한다

3.2 교체 알고리즘

캐시가 채워진 뒤에, 새로운 블록을 캐시로 가져올때 현재 캐시의 저장되어 있는 블록중 하나는 교체 되어야함

3.2.1 최소 최근 사용(least recently used : LRU)

• 사용하지 않고 가장 오래 있었던 블록 교체
  
  

  3.2.2 FIFO

• 캐시 내에서 가장 오래 머물렀던 블록 교체
• 라운드 로빈, 기법 구현

3.2.3 최소사용빈도(least frequently used:LFU)

• 가장 적게 참조되었던 블록 교체

3.3. 쓰기정책

3.3.1 연속기록(Write through)방식

• 쓰기를 진행할때 캐시 뿐 아니라 주기억장치도 동시에 행해지는 경우

3.3.2 후 기록(write back) 방식

• 데이터 갱신은 캐시에서만 일어나고, 해당 블록이 교체 될 때 주기억장치도 갱싱
• CPU기계가 쉴때 캐시의 내용을 주기억장치에 수시로 백업하며 성능을 높일 수 있음.