ARM存儲器之：高速緩沖存儲器Cache
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15.3.6Cache的替換策略
在Cache訪問過程中，發現查找的Cache行已經失效，則需要從主存中調入新的行到Cache中。在采用組相聯的Cache中，一個來自主存的行可以放入多個Cache組中。當所有組中的對應行都已經裝滿時，就要使用Cache替換算法，從這些組中找出一個Cache，把它調回到主存中原來存放它的地方，騰出新行來存放新調入的行。被選中替換的Cache行被稱為丟棄者（victim）。如果丟棄者中包含有效的臟數據，那么在該行被寫入新數據之前，控制器必須把該行中的數據寫到主存。選擇和替換丟棄Cache行的過程被稱為淘汰（eviction）。
Cache控制器選擇下一個丟棄Cache行的策略被稱為替換策略。在ARM常用的替換算法有兩種：輪轉算法和隨機替換算法。
輪轉算法又叫循環法，這種算法維護一個邏輯計數器，每進行一次替換，計算器加1，當計算器達到最大值時，就被復位成預先定義好的一個基值。這種算法容易預測最壞情況下的Cache性能。但它一個明顯缺點就是，在程序發生很小變化時，可能造成Cache性能急劇下降。
隨機算法從特定的位置上隨機地選出一行替換出去。它通過一個隨機發生器來完成上述操作。當每次需要替換Cache行時，隨機發生器將產生一個隨機數，用新行將編號為該隨機數的行替換出去。這種算法與輪轉算法最大的區別在于它在每次產生替換行時，增加的是一個非連續值，這個值是由控制器隨機產生的。同樣，當丟棄計算器達到最大值時，會被復位成預先定義好的一個基值。
相比之下，隨機算法沒有考慮到程序的局部性特點，因而效果有時不盡人意，同時這種算法不易預測最壞情況下Cache性能。而輪轉法就有更好的可預測性，容易預測最壞情況下Cache性能，在一些實時系統中，十分重視這一點。但是，輪轉法替換策略在存儲器訪問發生很小變化時，可能造成Cache性能有較大變化。
表15.13顯示了目前比較流行的ARM核所使用的策略。
表15.13 常見ARM核使用的替換策略
內核 | 寫策略 | 替換策略 |
ARM720T | 直寫法 | 隨機 |
ARM740T | 直寫法 | 隨機 |
ARM920T | 直寫法、回寫法 | 隨機、輪轉 |
ARM940T | 直寫法、回寫法 | 隨機 |
ARM926EJ-S | 直寫法、回寫法 | 隨機、輪轉 |
ARM946E | 直寫法、回寫法 | 隨機、輪轉 |
ARM1020E | 直寫法、回寫法 | 隨機、輪轉 |
ARM1026EJS | 直寫法、回寫法 | 隨機、輪轉 |
IntelStrongARM | 回寫法 | 輪轉 |
IntelXscale | 直寫法 | 輪轉 |
15.3.7與Cache相關的編程接口
與Cache編程相關的CP15的寄存器共有3個，它們分別為c1、c7及c9。
（1）寄存器c1中與Cache相關的位
c1寄存器在前面CP15寄存器一節中已經介紹過，下面對Cache的控制位進行詳細介紹。
表15.14顯示了c1中與Cache有關位的作用。
表15.14 c1中與Cache相關的位
相關位 | 作用 |
C（bit[2]） | 當數據Cache和指令Cache分開時，本控制位禁止/使能數據Cache 當數據Cache和指令Cache統一時，本控制位禁止/使能整個Cache 0：禁止Cache 1：使能Cache 如果系統中不含Cache，讀取時該位返回0，寫入時忽略該位 當系統中Cache不能禁止時，讀取返回1，寫入時忽略該位 |
續表
相關位 | 作用 |
I（bit[12]） | 當數據Cache和指令Cache是分開的，本控制位禁止/使能指令Cache 0：禁止指令Cache 1：使能指令Cache 如果系統中使用統一的指令Cache和數據Cache或者系統中不含Cache，讀取該位時返回0，寫入時忽略該位 當系統中的指令Cache不能禁止時，讀取該位返回1，寫入時忽略該位 |
RR（bit[14]） | 如果系統中Cache的淘汰算法可以選擇的話，本控制位選擇淘汰算法 0：選擇常規的淘汰算法，如隨機淘汰算法 1：選擇預測性的淘汰算法，如輪轉（round－robin）淘汰算法 如果系統中淘汰算法不可選擇，寫入該位時被忽略，讀取該位時，根據其淘汰算法可以簡單地預測最壞情況，并返回1或者0 |
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