[CA] Chapter 11: Exploiting Memory Hierarchy(2) - Direct Mapped Cache

⚙ Computer Architecture 공부

Direct Mapped Cache - Index

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📚Index: cache block number
= (Memory Addr) mod (Number of Cache Blocks) (나머지 값)

• 캐시 블록 수가 8개(2³)라면, 메모리 주소의 하위 3비트가 인덱스
  • 예: 주소 00001, 01001, 10001, 11001은 모두 인덱스 001(1번)에 매핑

Direct Mapped Cache - Tag

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같은 캐시 블록에 여러 메모리 주소가 매핑된다면?

• 예: 00001, 01001, 10001, 11001 모두 캐시 블록 1번에 매핑
  → 캐시에 있는 데이터가 어떤 메모리 주소의 것인지 알 수 없음!

메모리 주소를 Tag와 Index로 나눈다!!

📚Tag: 같은 캐시 블록에 매핑되는 서로 다른 메모리 주소들을 구별하는 역할

• 메모리 주소를 Tag(상위 비트)와 Index(하위 비트)로 분할

• Valid bit는 해당 캐시 블록에 유효한 데이터가 있는지 표시

• 프로세서 시작 시 캐시는 빈 상태
• 캐시 블록이 비어있는지, 유효한 데이터가 있는지 구별 필요
• Valid bit = 0: 비어있음 또는 무효한 데이터
• Valid bit = 1: 유효한 데이터 존재, 태그 비교 필요

✅data 검색 과정:

Cache 접근 시나리오

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초기 상태

• 모든 Cache block의 Valid bit = N (무효)
• Tag와 Data는 비어있음
• 8 blocks (Index 000~111)

Step 1: Data 22 (10110) request

✅처리 과정:

1. index 110 → 캐시 블록 6번 확인
2. Valid bit = N → 무효한 데이터
3. Cache Miss! 메모리에서 데이터 가져오기
4. 블록 6에 저장: Valid=Y, Tag=10, Data=Memory(10110)

Step 2: Data 26 (11010) request

✅처리 과정:

1. index 010 → 캐시 블록 2번 확인
2. Valid bit = N → 무효한 데이터
3. Cache Miss! 메모리에서 데이터 가져오기
4. 블록 2에 저장: Valid=Y, Tag=11, Data=Memory(11010)

Step 3: Data 22 (10110) request again

✅처리 과정:

1. index 110 → 캐시 블록 6번 확인
2. Valid bit = Y → 유효한 데이터 있음
3. Tag 비교: 저장된 태그(10) = 요청한 태그(10) ✓
4. Cache Hit! 캐시에서 데이터 직접 반환

Step 4: Data 26 (11010) request again

✅처리 과정:

1. index 010 → 캐시 블록 2번 확인
2. Valid bit = Y → 유효한 데이터 있음
3. Tag 비교: 저장된 태그(11) = 요청한 태그(11) ✓
4. Cache Hit! 캐시에서 데이터 직접 반환

Cache Conflict

❌데이터 교체 발생!

• Step f: 주소 18 (10010)을 로드할 때, Index 010의 기존 데이터 (주소 26의 데이터)가 교체됨!
• 주소 26을 다시 요청하면 캐시 미스 발생

자주 사용되는 데이터들이 같은 인덱스에 매핑되면 지속적인 데이터 교체로 인해 캐시 성능이 크게 저하됨!