0) 首先讨论一下 cache line 索引定位的方式。
给定一个 32 位虚拟地址，怎么定位 cache line 呢？
答案是 VIPT (virtual indexed, physical taged), 即以虚拟地址作为 cache line 的 set 的索引，物理地址作为 tag 进行比较。
比如 : 32k cache 8 way 组相联, cache line 大小是 64 bytes。所以共有 64 个 set(32k/(8 * 64))。
物理地址 31 12 5 0 |<----- 20 bits ---->|<- 12 bits ->| |<--- page frame --->| page offset | [ TAG |index |offset] TAG : RAT (real address tag) index : set index offset: cache line offset.
(1) 先用物理地址的(12..5) 6 bit 作为 index 找到 set。(注意: 物理地址的低12位即是虚拟地址的低12位, 都是页内偏移, 所以叫 'virtual indexed')。 (2) 面对 set 中 8 个 cache line, 用 物理地址的[31, 12] 一共20位作为 Tag 进行比较, 确定 cache line。(physical taged)
这里, 地址的低12位中一部分作为 cache line 的内部的 offset 来定位具体的 byte;
另一部分作为 set index。注意这里对 cache set 的数目做了一个限制, 因为一般 cache line 大小是 64 bytes, 则地址低6位作为 offset, 低12位中的其余 6 位作为 set index, 那么当cache set 的数目超过 2^6 (64) 个呢?
即 cache 大小太大，怎么索引？比如 : 2M - 8way - cache line 64bytes? 一共有 4096 个 set地址低12位中仅存的6bit 明显不够了。
1) 大 cache 反而用不上了? 当然系统设计者不会这么愚蠢的。那么从哪里拿索引位呢? 不是还有物理地址么?
物理地址 31 12 5 0 |<----- 20 bits ---->|<- 12 bits ->| |<--- page frame --->| page offset | 31 18 12 5 0 |<----- 20 bits +--->|<- 12 bits ->| [ TAG | index |offset] 这里从物理地址中借了 6 bits. (18, 12] 那么利用 (18,5) 这12 bits, 可以索引4096个 cache set。
2) 什么又是 page color 呢?
物理地址 31 12 5 0 |<----- 20 bits ---->|<- 12 bits ->| |<--- page frame --->| page offset | 31 18 12 5 0 |<----- 20 bits +--->|<- 12 bits ->| [ TAG | index |offset] (18, 12] : color bits. 记得从物理地址借的 6 bits? 它们就叫做 color bits。 把可以用(12, 5) 这6位索引的连续的 64 个 cache set 叫做 bin。 这相当于把 cache set 再次分组, 每个组叫做 bin。同时认为在一组的 cache set 具有相同颜色(color), 这个名字真没创意。 而 color bits 用来选择 bin。根据上面的例子, 64 个 cache set 为一 bin (一个颜色), 一共有 64 种颜色。
3) color bits 有什么用?
如果没有 color bits, 当访问一个地址,其页内偏移就定了下来, 也就是说 cache set 的索引值就定了下来。
有了 color bits, OS 对 cache 有了发言权(因为物理页面的分配是OS 说的算的, 所以 color bits OS 也能说的算)
所以 OS 就能决定一个地址放到哪个 bin 上。
比如访问虚拟地址 0x12345678 可以映射物理地址 0x30000678, 也可以映射物理地址 0x30001678
0x30000678 的 color bits 决定该地址映射到 bin 0
0x30001678 的 color bits 决定该地址映射到 bin 1
所以 OS 可以把一个地址映射到不同颜色的 cache set中。