캐시 사상(mapping) 기법

I. Cache Hit Ratio 향상 위한, 캐시 메모리 사상 기법

개념도
개념– 캐시 인출 실패 시 캐시와 메모리 데이터 Swap하여 필요 정보를 캐시에 저장시키는 기법
유형– 직접 사상: 메모리 블록들이 지정된 캐시 라인 적재
– 연관 사상: 메모리 블록이 어떤 캐시 라인으로도 적재
– 집합 연관 사상: 직접 사상과 연관 사상의 조합

– CPU에서는 워드 단위로 요청하고, 메모리에 저장된 데이터 일부가 블록 단위로 캐시로 복사

 

II. 직접 사상 기법 (Direct Mapping)

가. 직접 사상 기법 개념

특징– 메모리 블록들이 지정된 캐시 라인으로만 적재
장점– H/W 구조 간단, 구현 비용 저렴
단점– 라인 공유 중인 블록 적재 시 Swap-out 발생

– 캐시에서 라인(슬롯)은 한 블록이 저장되는 장소로, 블록은 캐시 각 슬롯에 저장되는 데이터 길이

나. 직접 사상 주소 형식 및 동작 과정

구분세부 항목설명
주소
형식
메모리
주소 형식
태그 필드– 태그 번호
라인 필드– 캐시 라인 중 하나를 지정
단어 필드– 각 블록 내 단어 중 하나 구분
동작
과정
캐시 라인
선택
– 캐시로 메모리 주소 전달 시 s 비트의 라인번호 기반 캐시 라인 선택
태그 비교
캐시 적중
– 선택 라인의 태그 비트와 주소 비교
– 일치 시 단어 필드 라인 내 단어 인출
태그 비교
캐시 미스
– 라인 적재 후 주소 태그를 라인에 기록
– 해당 라인에 다른 블록 존재 시 삭제

다. 직접 사상 흐름도 및 연관도





  

III. 연관 사상 기법 (Associative Mapping)

가. 연관 사상의 개념

특징– 메모리 블록 적재 시 캐시 라인이 정해지지 않음
장점– 신규 적재 시 캐시 라인 선택 자유, 적중률 향상
단점– H/W 구조 복잡, 구현비용 고가

– 캐시 적중 검사가 모든 라인에 대해 수행되므로 검사 시간 길어지고 모든 태그 번호 고속 검색 위해 복잡한 회로 필요

나. 연관 사상 주소 형식 및 동작 과정

구분세부 항목설명
주소
형식
메모리
주소 형식
태그 필드– 태그 번호
단어 필드– 각 블록 내 단어 중 하나 구분
동작
과정
태그 비교
캐시 적중
– 메모리 블록은 캐시의 아무 블록 적재
– 태그 필드 내용 비교, 일치 시 전송
태그 비교
캐시 미스
– 태그 값 불일치 시 캐시 미스 발생
– 메모리로부터 데이터 인출

다. 흐름도 및 연관도





 

IV. 집합 연관 사상 (Set-associative Mapping)

가. 집합 연관 기법의 개념

특징– 메모리 블록 그룹이 하나의 세트 공유
장점– 메모리 블록은 특정 세트 내 어느 곳이나 적재가능
단점– 회로 구현 복잡 및 구현 비용 고가

나. 집합 연관 사상 주소 형식 및 동작 과정

구분세부 항목설명
주소
형식
메모리
주소 형식
동작
과정
세트 선택– 메모리 주소 세트 비트 이용 하나 선택
태그 비교
캐시 적중
– 세트 내 태그와 비교, 일치 시 캐시 적중으로 CPU로 인출
태그 비교
캐시 미스
– 불일치 시 캐시 미스로 메모리 접근, 라인들 중 교체할 라인 결정하여 교체

– 메모리 블록 그룹이 하나의 캐시 집합 공유, 그 집합에는 두 개 이상의 슬롯 적재 가능

다. 흐름도 및 연관도





 

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