CacheStruktur

CacheStruktur bezeichnet die Organisation eines Cache-Speichers oder Cache-Systems in der Computerarchitektur. Ziel ist es, die Zugriffslatenz auf Hauptspeicher zu reduzieren, indem Daten und Anweisungen, die kürzlich verwendet wurden oder wahrscheinlich bald benötigt werden, näher am Prozessor gehalten werden. Dabei kommen sowohl Hardware-Caches (z. B. CPU-L1/L2/L3) als auch Software- und verteilte Caches zum Einsatz.

Eine Cache-Struktur besteht aus Bausteinen wie Cache-Größe, Blockgröße (Cache-Line), Assoziativität, Tags, Gültigkeits- (valid) Bits und ggf. Dirty-Bits. Die Zuordnung eines Hauptspeicherblocks zum Cache erfolgt typischerweise über Direct-Mapped, Set-Associative oder Fully-Associative Strategien. Direct-Mapped bedeutet, dass jeder Block genau einer Cache-Position zugeordnet wird; Fully-Associative lässt jeden Block an jeder Position landen; Set-Associative kombiniert beide Ansätze durch Gruppen von Positionen (Sets).

Wichtige Mechanismen sind Replacement-Politiken (z. B. LRU, FIFO, Random), die entscheiden, welcher Block ersetzt wird, sowie Schreibstrategien (Write-Through vs. Write-Back). Write-Back-Caches markieren geladene Blöcke als dirty und schreiben sie erst bei Eviction zurück in den Hauptspeicher.

In Mehrkern- und Mehrprozessorsystemen spielt Cache-Kohärenz eine zentrale Rolle. Koordinationsprotokolle wie MESI (Modified, Exclusive, Shared, Invalid) sorgen dafür, dass Kopien von Cache-Einträgen konsistent bleiben, häufig durch Snooping oder Verzeichnisstrukturen.

Typische Leistungskennzahlen umfassen Cache-Hit- und -Miss-Raten sowie Miss-Typen wie compulsory, conflict und capacity Miss. Eine effektive Cache-Struktur nutzt räumliche und zeitliche Lokalität aus, um die Gesamtleistung des Systems zu erhöhen, während sie mit Grenzen wie Bandbreite, Latenz und Cache-Kohärenz konfrontiert bleibt.