提高Cache命中率

不命中概述

三种类型的不命中(3C)

• 强制性不命中(Compulsory miss)

  • 当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需从下一级存储器中调入Cache。（冷启动不命中，首次访问不命中)

• 容量不命中(Capacity miss )

  • 如果程序执行时所需的块不能全部调入Cache中，则当某些块被替换后，若又重新被访问，就会发生不命中。

• 冲突不命中(Conflict miss)

  • 在组相联或直接映象Cache中，若太多的块映象到同一组(块)中，则该组中某个块被别的块替换(即使别的组或块有空闲位置)，然后又被重新访问的情况。(碰撞不命中，干扰不命中)

规则

• 相联度越高，冲突不命中就越少;

• 强制性不命中和容量不命中不受相联度的影响;

• 强制性不命中不受Cache容量的影响，但容量不命中却随着容量的增加而减少。

  

减少三种不命中的方法

• 强制性不命中：增加块大小，预取
• 容量不命中：增加容量
• 冲突不命中：提高相联度
• 注意：许多降低不命中率的方法会增加命中时间或不命中开销

八种策略

优化策略一：增加 Cache 块大小

• 不命中率与块大小的关系
  • 对于给定的Cache容量，当块大小增加时，不命中率开始是下降，后来反而上升了。
    • 一方面它减少了强制性不命中;
    • 另一方面，由于增加块大小会减少Cache中块的数目所以有可能会增加冲突不命中。
  • Cache容量越大，使不命中率达到最低的块大小就越大。
• 增加块大小会增加不命中开销

优化策略二：增加Cache的容量

• 最直接的方法是增加Cache的容量

• 缺点:

  • 增加成本
  • 可能增加命中时间

• 这种方法在片外Cache中用得比较多

优化策略三：提高相联度

• 采用相联度超过8的方案的实际意义不大。
• 2:1 Cache经验规则
  • 容量为N的直接映象Cache的不命中率和容量为N/2的两路组相联Cache的不命中率差不多相同。
• 提高相联度是以增加命中时间为代价。

优化策略四：伪相联 Cache，列相联 Cache

• 多路组相联的低不命中率和直接映像的命中速度

  

• 伪相联 Cache 优缺点

  • 优点
    • 命中时间小
    • 不命中率低
  • 缺点
    • 多种命中时间

• 基本思想及工作原理

  • 在逻辑上把直接映象Cache的空间上下平分为两个区。
  • 对于任何一次访问，伪相联Cache先按直接映象Cache的方式去处理。若命中，则其访问过程与直接映象Cache的情况一样。若不命中，则再到另一区相应的位置去查找。若找到，则发生了伪命中，否则就只好访问下一级存储器。

  

  • 快速命中与慢命中

    

优化策略五：硬件预取

• 指令和数据都可以预取
• 预取内容既可放入Cache，也可放在外缓冲器中。
  • 例如:指令流缓冲器
• 指令预取通常由Cache之外的硬件完成
• 预取效果（Joppi的研究结果）
  • 指令预取(4KB，直接映象Cache，块大小=16字节)
    • 1个块的指令流缓冲器：捕获15%～25%的不命中
    • 4个块的指令流缓冲器：捕获50%
    • 16个块的指令流缓冲器：捕获72%
  • 预取应利用存储器的空闲带宽，不能影响对正常不命中的处理否则可能会降低性能。

优化策略六：编译器控制的预取

• 在编译时加入预取指令，在数据被用到之前发出预取请求。

• 按照预取数据所放的位置，可把预取分为两种类型:

  • 寄存器预取:把数据取到寄存器中。
  • Cache预取:只将数据取到Cache中。

• 按照预取的处理方式不同，可把预取分为:

  • 故障性预取:在预取时，若出现虚地址故障或违反保护权限，就会发生异常。
  • 非故障性预取:在遇到这种情况时则不会发生异常因为这时它会放弃预取，转变为空操作。

• 在预取数据的同时，处理器应能继续执行。

  • 只有这样，预取才有意义。

• 编译器控制预取的目的

  • 使执行指令和读取数据能重叠执行。

• 每次预取需要花费一条指令的开销

  • 保证这种开销不超过预取所带来的收益
  • 编译器可以通过把重点放在那些可能会导致不命中的访问上,使程序避免不必要的预取，从而较大程度地减少平均访存时间。

优化策略七：编译器优化

• 基本思想：通过对软件进行优化来降低不命中率。(特色:无需对硬件做任何改动)

• 程序代码和数据重组

  • 可以重新组织程序而不影响程序的正确性

    • 把一个程序中的过程重新排序，就可能会减少冲突不命中，从而降低指令不命中率。

    • 把基本块对齐，使得程序的入口点与Cache块的起始位置对齐，就可以减少顺序代码执行时所发生的Cache不命中的可能性。(提高大Cache块的效率)

  • 如果编译器知道一个分支指令很可能会成功转移，那么它就可以通过以下两步来改善空间局部性:

    • 将转移目标处的基本块和紧跟着该分支指令后的基本块进行对调;
    • 把该分支指令换为操作语义相反的分支指令。

  • 数据对存储位置的限制更少，更便于调整顺序。

优化策略八：“牺牲”Cache

• 一种能减少冲突不命中次数而又不影响时钟频率的方法。

• 基本思想（类似多级 cache 的思想，但是更小）

  • 在Cache和它从下一级存储器调数据的通路之间设置一个全相联的小Cache，称为“牺牲”Cache ( Victim Cache)。用来存放被淘汰掉的 cache 块

  

• 作用

  • 对于减小冲突不命中很有效，特别是对于小容量的直接映象数据Cache，作用尤其明显。
  • 例如：项数为4的Victim Cache，能使4KB Cache的冲突不命中减少20%～90%