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

구분	세부 항목	설명
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

흐 름 도
연 관 도

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

구분	세부 항목	설명
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

흐 름 도
연 관 도

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

구분	세부 항목	설명
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

흐 름 도
연 관 도