22、缓存读写数据路径及不同缓存结构解析

缓存读写数据路径及不同缓存结构解析

1. 缓存读写操作原理

1.1 缓存写操作

缓存写操作始于将 CPU 地址的标签字段与标签内存中被寻址集合的所有标签字段进行比较。若比较成功，会产生命中信号，促使 CPU 将数据写入缓存内存中指定的集合（和块偏移）地址。

以一个 32 位、四路组相联缓存为例，该缓存包含 22 位标签字段、因 8 位索引字段而有 256 个集合，以及因 2 位块偏移字段而每个块中有四个字。写过程步骤如下：
1. 使用 8 位索引字段确定集合地址。
2. 如图 6.188 所示，在标签内存的输出阶段，使用异或非门（XNOR - gates）将该集合地址处的所有四个标签字段分别与 CPU 标签进行比较。
3. 若集合地址处的某个标签与 CPU 标签比较成功，产生命中信号，CPU 可将一块数据写入相应的集合地址。
4. CPU 数据通过置于缓存内存输入阶段的三态缓冲器路由，并通过索引字段和块偏移字段写入指定地址。

1.2 缓存读操作

缓存读操作与写操作类似，但为缩短缓存读取访问周期，缓存和标签内存会同时被访问。

同样以四路组相联缓存为例，读操作步骤如下：
1. 8 位索引字段定义集合地址，同时从标签内存读取四个标签块，从缓存内存读取四个数据块。
2. 每个标签分别与 CPU 地址中的 22 位标签字段进行比较，由 22 组两位异或非门（XNOR - gates）后跟一个 22 位与门生成命中信号。
3. 这些命中信号随后用作缓存内存输出处的 4 - 1 多路复用器（MUX）的选择输入，以选择一个缓存块。
4. 通过 2 位