计算机组成原理 —— Cache的写策略

计算机组成原理 —— Cache的写策略

我们上一节课介绍了Cache的调入问题，现在我们有一个新的问题，如果我们CPU对我们的Cache块进行了修改，我们用什么样的方式保证Cache和主存当中数据的一致性呢？，这个是我们这节讨论的问题：

我们整体上分为两大类，命中或未命中：

我们先来看写命中的情况：

写命中

Write Back（回写模式）

1. 只有当数据写入Cache时进行操作，主存的更新延迟到Cache行被替换出去时才进行。
2. Cache行可能有一个“脏位”（Dirty Bit），用来标记该行数据是否已经被修改过。
3. 当该行被替换时，如果脏位被设置，则数据会被写回到主存，以保持数据的一致性。
4. 这种策略提高了写入性能，但是增加了缓存一致性管理的复杂度。

Write Through（直写模式）

1. 当CPU写入数据到Cache时，同样的数据也会被写入主存。
2. 这种策略确保了Cache和主存的数据始终保持一致，简化了多处理器环境下的缓存一致性问题。
3. 缺点是每次写入都会访问主存，降低了写入性能，因为主存访问速度远慢于Cache

写缓冲（Write Buffer）

写缓冲（Write Buffer）是计算机系统中用于暂时存储写操作数据的一种机制，主要用于提高系统的写入性能和效率。在处理写入操作时，写缓冲可以起到以下几个关键作用：

• 写缓冲可以收集多个写入操作，然后一次性地将它们写入到较慢的存储设备，如主存或磁盘，这样可以减少对这些设备的访问次数，从而提高整体的写入速度。
• 由于写缓冲通常位于高速的存储器上，如CPU寄存器或高速缓存，所以它可以快速地接收来自CPU的写入数据，而不会使CPU等待慢速存储设备的响应。

写未命中

Cache的写策略是决定当处理器写入数据时，数据如何在Cache和主存之间同步的规则。主要的写策略有以下几种：

写分配（Write Allocate）

• 当写入未命中的数据时，Cache将从主存中读取整个Cache行，并将其放入Cache中，然后进行写入操作。
• 这种策略适用于数据存在空间局部性的场景，因为读入整个行可以利用后续的读操作。

不写分配（No Write Allocate）

1. 当写入未命中的数据时，数据直接写入主存，而不将该数据放入Cache。
2. 这种策略减少了Cache的写入流量，但是可能会导致读操作的性能下降，因为读操作不能从Cache中受益。

多级Cache

现在的电脑一般会设置多个Cache，越靠近CPU的Cache，速度越快：
大家可以去搜自己的任务管理器，看看自己有多少个Cache：