컴퓨터구조[21]: Direct Mapped Cache for the Real World

** 가정 **

32비트 주소 (vs 5비트 주소),

캐시의 크기가 2^10 (vs 2^3),

각 entry의 크기는 2^2 bytes

 

Byte offset

각 캐시 블록은 22B의 데이터를 포함할 수 있다.

데이터 항목의 기본 단위는 Byte이다.

캐시 블록 내에서 데이터의 Byte를 식별해야 한다.

 

주소의 앞 20bit는 tag, 10bit는 index로 사용된다.

마지막 2bit는 Byte offset으로 사용된다.

데이터의 Byte가 참조되면, 참조된 데이터와 인접한 데이터를 포함한 22Byte의 데이터를 메모리에서 캐시로 가져온다.

이 동작은 캐시가 spatial locality(공간적 지역성)을 활용할 수 있도록 한다.

 

주소가 주어지면, 10bit의 index값으로 대상 캐시 블록에 접근한다.

그 다음 20bit의 태그 값으로 캐시 블록의 tag 필드와 비교한다.

hit인 경우, 전체 4byte의 데이터가 읽히고, miss인 경우 메인메모리에서 데이터를 가져온다.

 

 

 

Generalization of Direct Mapped Cache

 

만약 캐시의 크기가 2^n blocks이고, block의 크기가 2^m word라고 하자.

 

Byte offset

각 캐시 블록은 2^(m+2) byte의 데이터를 포함할 수 있다.

m bit는 블록 내의 word를 식별하는데 사용되고, 2bit는 word 내의 byte를 식별하는데에 사용된다.

따라서, 마지막 m+2 bit는 byte offset으로 사용된다.

 

Index (to select a cache block)

캐시에는 2^n개의 block이 있다.

따라서 데이터의 index를 결정하기 위해 n bit가 필요하다.

 

Tag (to identify a specific data item)

나머지 bit는 tag로 사용된다.

tag field의 크기는 32 - (n + m + 2)이다.

 

 

캐시의 크기는 다음과 같다.

block 개수 * (block size + tag size + valid bit size)

 

따라서 tag와 valid bit field에 의해 캐시의 실제크기는 데이터의 총량보다 크다.

 

 

 

Block offset

주소에 block offset 개념을 넣을 수도 있다.

cache block size가 512bit (=2^6 byte = 2^4 word)라고 할 때, block offset은 4bit이다.

이는 index에서 상대 위치로 몇 워드 떨어져있는지를 나타낸다.

 

block offset 만큼 떨어진 word에서 byte offset 만큼 떨어진 byte를 찾으면 된다.

당연하게도, byte offset은 6-4 = 2bit를 가진다.

 

여기서 위 그림을 참조했을 때, index로 나타낼 수 있는 크기는 2^8bit이다.

따라서 캐시가 가질 수 있는 엔트리의 개수는 2^8개 (256개)이다.

 

tag의 크기는 32 - (8 + 4 + 2) = 18 bit이다.

 

따라서 캐시의 한 entry의 크기는 512 + 1 + 18 = 531 bit가 되고,

 

총 캐시의 크기는 531 * 2^8이 된다.