캐시매핑

캐시의 크기는 메모리보다 작기 때문에 효율적으로 매핑하는 것이 중요하다

적절한 매핑 기법을 사용하면 캐시 적중률을 높일 수 있어 전체 시스템의 성능이 향상된다

운영체제의 메모리 관리

운영체제는 메모리를 똑같은 크기의 페이지(4kb)로 나눠 관리를 한다

 

주소 구조

가상 주소는 <P,D>로 구성

P(Page Number): 페이지 번호 (20bits로 관리)

D(Page Offset): 페이지번호로부터 해당 주소까지의 거리 (12bits로 관리)

 

가상 주소와 물리 주소

가상 주소: 프로그램이 사용하는 주소(20bits)

물리 주소: 실제 메모리의 주소(16bits)

 

주소 변환

가상 주소를 물리 주소로 변환할 때 페이지 테이블을 사용

Page Number만 변환되고 Page Offset은 그대로 유지

 

매핑의 종류

1. 직접매핑

• 메모리의 특정 블록을 특정 캐시 라인에만 매핑
• 장점: 구현이 단순하고 접근 속도가 빠르다
• 단점: 캐시 교체가 자주 일어나 적중률이 낮을 수 있다

메모리는 총 100개의 페이지, 캐시는 총 5개의 페이지로 이루어져있다고 했을 때

메모리의 한 블럭의 요소 = 메모리 페이지 / 캐시 페이지 = 100/5 = 20

캐시 1 : 메모리 블럭1 (1~20)

캐시 2 : 메모리 블럭2 (21~40)

...

직접매핑은 P부분을 {tag, bd(Block Distance)}로 세분화하여 구현

bd 블럭을 위한 태그를 기반으로 <tag, bd, D> 로 세분화하여 bd가 같은 라인만 매핑이 되게 함

• tag: 메모리의 몇번째 블럭인지
• bd: 캐시의 몇번째 페이지인지

주홍철의 자리는 주홍철, 김건구, 구성천만 들어올 수 있음

2. 연관매핑

순서를 일치시키지 않고 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑하여 메모리의 컨텐츠가 캐시의 어느 위치에도 올라갈 수 있는 방법

• 메모리의 블록을 캐시의 어느 위치에나 매핑할 수 있다
• 장점: 적중률이 높다
• 단점: 구현이 복잡하고 검색 시간이 길어질 수 있다

P: bd와 tag를 합한것

3. 집합 - 연관매핑

• 직접 매핑과 연관 매핑의 장점을 결합한 방식
• 캐시를 여러 집합으로 나누고, 각 집합 내에서 연관 매핑을 적용
• 장점: 직접 매핑보다 높은 적중률, 연관 매핑보다 간단한 구현
• 단점: 하드웨어 복잡성이 증가

1. 구조
   • 캐시가 여러 개의 집합(Set)으로 나뉨
   • 메모리 블록은 특정 집합에만 매핑될 수 있음(블록 번호 % 집합 수)
2. 동작 방식
   • 메모리 주소의 일부(블록 주소의 하위 비트)로 캐시 집합을 결정 
   • 선택된 집합 내에서는 완전 연관 매핑처럼 작동
3. 예시
   • 2-way 집합 연관 매핑의 경우 캐시가 2개의 블록을 가진 집합들로 구성
   • 메모리 블록은 지정된 집합 안의 2개의 위치 중 하나에 저장 가능

bd가 같은 곳으로 들어갈 곳은 정해져있으나 (직접매핑) 아무데나 들어가도 상관 없다 (연관매핑)