cachearm920t有16k的資料cache和16k的指令cache，這兩個cache是基本相同的，資料cache多了一些寫回記憶體的機制，後面我們以資料cache為例來介紹cache的基本原理。我們已經知道，cache中的儲存單位是cache line，arm920t的乙個cache line是32位元組，因此16k的cache由512條cache line組成。要了解cache的基本原理，我們從如何設計cache這個問題入手。
設計cache的一種最樸素的想法是，把va分成以32位元組為單位，從任何乙個對齊到32位元組位址邊界的va開始連續的32個位元組（比如0x00-0x1f，0x20-0x3f，0x40-0x5f等等）都可以快取到512條cache line中的任何一條。那麼一條cache line中的32個位元組怎麼知道是來自哪個va的呢？這就需要把va也儲存在cache中，由於這32位元組的起始位址是對齊到32位元組位址邊界的，末5位全為0，因此只需要儲存va[31:5]即可，這稱為va tag[4]，tag是va的一部分，是cache line中資料的標識，表明這32位元組資料來自哪個va。這樣設計的cache稱為全相聯cache（fully associative cache），圖示如下：
圖 17. 全相聯cache
給定乙個va，如何在cache中查詢對應的資料呢？首先到cache中比較查詢哪一行的tag等於va[31:5]，找到對應的cache line後，再根據va[4:0]決定要訪問的是該cache line快取的32個位元組中的哪乙個位元組。由於有512條cache line，如果這個va沒有快取在cache中則需要比較512次才知道，這是最壞的情況，也是最常見的情況，下面我們要改進cache的設計來解決這個問題。
圖 18. 直接對映cache
位址0~31應該快取在第1條cache line中，位址32~63應該快取在第2條cache line中，依此類推，位址16352~16383應該快取在第512條cache line中，下乙個位址應該是16384（16k）了，我們又回到開頭，位址16k~16k+31應該快取在第1條cache line中，位址16k+32~16k+63應該快取在第2條cache line中，依此類推，再次回到開頭的位址應該是32k，32k~32k+31應該快取在第1條cache line中，32k+32~32k+63應該快取在第2條cache line中，依此類推。讀者應該可以總結出規律了：給定乙個va，將它除以16k得的餘數決定了它應該快取在哪一條cache line中，那麼除以16k的商數部分就應該是va tag，用以區別cache line中快取的到底是0還是16k還是32k位址上的資料。那麼除以16k的商數和餘數怎麼表示呢？va[31:14]就是除以16k的商數，va[13:0]就是餘數，所以上圖的tag處標著va[31:14]。餘數va[13:0]是16k cache裡的乙個位元組偏移量，而cache是按32位元組乙個cache line組織的，所以餘數中的高位va[13:5]決定了是第幾條cache line，餘數中的低位va[4:0]決定了cache line內的位元組偏移量。驗算一下，va[13:5]一共是9位，作為cache line的編號可以表示的cache line數目正是512條。
直接對映cache雖然查詢速度很快，但也有缺點。比如，位址0~31、16k~16k+31、32k~32k+31都應該快取到第1條cache line中，假如我們程式第一次訪問位址30，位址0~31的資料就從記憶體載入到第1條cache line，以便下次訪問能更快一些，但是我們程式第二次訪問的卻是位址32770，位址32k~32k+31的資料就要從記憶體載入到第1條cache line，把cache line裡原來存的位址0~31的資料替換掉，以便下次訪問能更快一些，但是我們程式第三次訪問的卻是位址16392……這樣下去，cache起不到任何加速作用，形同虛設，這種問題稱為cache抖動（cache thrash）。全相聯cache就不會有這種問題，因為任何va都可以快取到任何一條cache line，可以把先後幾次訪問的va快取到不同的cache line，就不會相互衝突。
全相聯cache和直接對映cache各有優缺點，全相聯cache查詢很慢，但沒有抖動問題，直接對映cache則正相反。為了得到更好的效能，實際cpu的cache設計是取兩者的折衷，把所有cache line分成若干個組，每一組有n條cache line，稱為n路組相聯cache（n-way set associative cache）。arm920t採用64路組相聯cache，如下圖所示：
圖 19. 64路組相聯cache
有了前面兩種cache概念的基礎，這種cache應該很好理解，512條cache line分成8組，每組64條，位址0-31、256-587、512-543等等可以快取到第1組64條cache line中的任何一條，位址32-63、288-319、544-575等等可以快取到第2組64條cache line中的任何一條，依此類推。為什麼說組相聯cache是全相聯和直接對映cache的乙個折衷呢？如果把組分得很大，把全部cache line都分到乙個組裡面去，就變成了全相聯cache；如果把組分得很小，每組只有乙個cache line，就變成了直接對映cache。作為練習，請讀者自己計算一下為什麼va tag是va[31:8]，為什麼組的編號用va[7:5]表示。
那麼，為什麼組相聯cache的效能比直接對映cache要好呢？一方面，組相聯cache把一條cache line上的衝突分散到了64條cache line上，起到了64倍的積極作用。而另一方面，應該快取到同乙個組的va更多了：對於直接對映cache，在同乙個組（也就是同一條cache line）互相衝突的va有4g/512個；對於組相聯cache，在同乙個組（64條cache line）互相衝突的va有4g/8個。從這個數量關係來看，組相聯cache又起到了64倍的消極作用。難道這兩種作用不會完全抵銷嗎？我不打算從數學上嚴格證明，這不是本節的重點，讀者可以通過乙個生活常識的例子來理解：層數一樣多的兩棟樓，其中一棟樓是一部電梯，每層三戶，而另一棟樓是兩部電梯，每層六戶，每戶的平均人數一樣多，你認為在哪個樓裡等電梯的時間較短呢？
接下來解釋一下有關cache寫回記憶體的問題。cache寫回記憶體有兩種模式：
write back：cache line中的資料被cpu核修改時並不立刻寫回記憶體，cache line和記憶體中的資料會暫時不一致，在cache line中有乙個dirty位標記這一情況。當一條cache line要被其它va的資料替換時，如果不是dirty的就直接替換掉，如果是dirty的就先寫回記憶體再替換。
write through：每當cpu核修改cache line中的資料時就立刻寫回記憶體，cache line和記憶體中的資料總是一致的。如果有多個cpu或裝置同時訪問記憶體，例如採用雙口ram，那麼cache中的資料和記憶體保持一致就非常重要了，這時相關的記憶體頁面通常配置為write through模式。
通過讀寫cp15的相關暫存器，可以對cache做以下操作：
clean：將cache line中的資料寫回記憶體，清除dirty位。在程式中的某些同步點上用於確保cache line和記憶體中的資料一致。
invalidate：在cache line中有乙個invalid位表示無效，將這個位置1，下次要訪問時即使va tag匹配也重新從記憶體讀取資料。例如程序切換時需要宣告前乙個程序快取在cache中的資料無效。
從cache中查詢要訪問的資料時用的是va，但是cache寫回記憶體要用pa，如果寫回記憶體時還需要查一遍頁表就太沒有效率了，所以實際上每條cache line中還儲存了pa[31:5]（pa tag），完整的cache構造如下圖所示：
圖 20. pa tag
最後解決我們前面遺留的乙個問題：頁描述符中的c、b位具體是什麼意思？
表 2. 頁描述符中c、b位的含義
c位為1表示允許cache，這種情況下用b位來表示write through還是write back。有些頁面不允許cache，置c位為0，這種情況下可以用b位來選擇是否允許使用write buffer。write buffer也是一種簡單的cache，cpu核執行寫指令時可以把資料交給write buffer，然後由write buffer負責寫回記憶體，這時cpu可以執行後續指令而不必等待寫回記憶體這個較慢的操作結束。想一下，既然有write buffer，為什麼沒有read buffer？
思考與練習
arm920t的cache是64路組相聯的，而pc和伺服器cpu的cache往往只有4路組相聯，路數越多查詢越慢，為什麼arm要設計這麼多的路數？
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