CacheStrukturen

CacheStrukturen bezeichnen in der Computerarchitektur jene Speicherstrukturen, die als Puffer zwischen CPU und Hauptspeicher fungieren. Sie speichern Kopien von Daten und Instruktionen, auf die häufig zugegriffen wird, um Latenzen zu reduzieren und den Durchsatz zu erhöhen. Typische Eigenschaften sind Größe, Assoziativität, Mapping-Strategie, Blockgröße und Austauschpolitik. Daten werden in Cache-Linien gespeichert, die mehrere Wörter enthalten.

Mapping-Strategien legen fest, wie Adressen auf Cache-Sätze abgebildet werden. Direkt abgebildete Caches ordnen jede Adresse einer festen Zeile zu. Vollständig assoziative Caches erlauben jede Zuordnung, benötigen jedoch teure Suchstrukturen. Set-assoziative Caches kombinieren beides: Adressen können in einer von wenigen Sätzen liegen, in denen eine Zeile ersetzt wird.

Cache-Hierarchien umfassen L1-, L2- und L3-Caches, oft getrennte Instruktions- und Datencaches. In Mehrkernsystemen müssen Caches kohärent bleiben; Protokolle wie MESI (Modified, Exclusive, Shared, Invalid) oder MOESI regeln die Konsistenz von Kopien über mehrere Caches.

Wartungs- und Schreibverhalten beeinflussen Leistung und Konsistenz. Write-Back speichert Änderungen erst bei Verdrängung, Write-Through schreibt sie sofort in den Hauptspeicher. Write-Allocate bzw. No-Allocate legt fest, ob bei Cache-Misses Daten erst in den Cache geladen werden. Replacement-Politiken (LRU, FIFO, Random) bestimmen, welche Zeile ersetzt wird.

Miss-Typen umfassen Initial- bzw. Kaltstart-Misses, Konflikt-Misses und Kapazitäts-Misses; Präfetching zielt darauf ab, diese Misses zu reduzieren. Cache-Architekturen beeinflussen Leistung, Energieverbrauch und Systemkomplexität.