23、缓存操作与LRU算法详解

缓存操作与LRU算法详解

1. CPU事务与缓存操作

1.1 缓存写事务

• 写缺失情况 ：当CPU进行写操作且发生缓存缺失时，缓存控制器会将CPU块内容（如由0xE0、0xE1、0xE2和0xE3组成的块）写入集合地址00处的最低有效缓存位置，并将标签内存内容更新为1000。同时，该块会被存储在写回缓冲区，脏位（dirty bit）设为1，因为该块仅存在于缓存中，主存中并无副本。有效位（valid bit）设为逻辑1，表示这是来自CPU的有效块，主存尚未更新。当该块被转移到主存后，脏位变为0，有效位仍为1。
• 写命中情况 ：若写操作命中缓存，缓存控制器会将新的数据块（如0xF0、0xF1、0xF2和0xF3）写入缓存内存的最低有效块位置，替换旧块（如0xE0、0xE1、0xE2和0xE3），并将相同数据写入写回缓冲区。这种写回方案相较于直写方案具有明显的速度优势，因为无需将旧块从写回缓冲区转移到主存。

1.2 缓存读事务

当CPU进行读操作且发生缓存缺失时，位于主存地址11000000的数据块（如0xD0、0xD1、0xD2和0xD3）会被转移到集合地址00处的最高有效块位置，因为该位置的内存引用次数为零。该集合地址的标签内存内容更新为1100，有效位设为逻辑1，脏位设为逻辑0。

2. 最近最少使用（LRU）替换算法

2.1 LRU算法原理

之前提出的简单算法是用最少引用次数的数据块替换，以帮助理解缓存控制器在缓存缺失时的工作原理。而实际的缓存数据替换策略基于最近