Steven P.Vanderwiel与David J.Lilja总结了最近出现的各类数据预读机制，下面将以图3-11为例进一步探讨这些数据预读机制。处理器在第17～22时钟周期从存储器读取数据，并在第22个时钟周期继续执行第三阶段任务的8个时钟周期，之后访问存储器，此时也将发生Cache Miss。合理使用这些数据预读，完成同样的任务CPU仅需要28个时钟周期，从而极大提高了程序的执行效率，其执行过程如下。......
2023-10-20
硬件预读的优点及历史发展
【摘要】：采用硬件预读的优点是不需要软件进行干预，也不需要浪费一条预读指令来进行预读。在许多处理器中这种硬件预读通常与指令预读协调工作。硬件预读机制的历史比软件预读更为久远，在IBM 370/168处理器系统中就已经支持硬件预读机制。大多数硬件预读仅支持存储器到Cache的预读，并在程序执行过程中，利用数据的局部性原理进行硬件预读。
采用硬件预读的优点是不需要软件进行干预，也不需要浪费一条预读指令来进行预读。但硬件预读的缺点是预读结果有时并不准确，有时预读的数据并不是程序执行所需要的。在许多处理器中这种硬件预读通常与指令预读协调工作。硬件预读机制的历史比软件预读更为久远，在IBM 370/168处理器系统中就已经支持硬件预读机制。
大多数硬件预读仅支持存储器到Cache的预读，并在程序执行过程中，利用数据的局部性原理进行硬件预读。其中最为简单的硬件预读机制是OBL（One Block Lookahead）机制，采用这种机制，当程序对数据块b进行读取出现Cache Miss时，将数据块b从存储器更新到Cache中，同时对数据块b+1也进行预读并将其放入Cache中；如果数据块b+1已经在Cache中，则不进行预读。
这种OBL机制有很多问题，一个程序可能只使用数据块b中的数据，而不使用数据块b+1中的数据，在这种情况下，采用OBL预读机制没有任何意义。而且使用这种预读机制时，每次预读都可能伴随着Cache Miss，这将极大地影响效率。有时预读的数据块b+1会将Cache中可能有用的数据替换出去，从而造成Cache污染。有时仅预读数据块b+1可能并不足够，有可能程序下一个使用的数据块来自数据块b+2。
为了解决OBL机制存在的问题，有许多新的预读方法涌现出来，如“tagged预读机制”。采用这种机制，将设置一个“tag位”，处理器访问数据块b时，如果数据块b没有在Cache中命中，则将数据块b从存储器更新到Cache中，同时对数据块b+1进行预读并将其放入Cache中；如果数据块b已经在Cache中，但是这个数据块b首次被处理器使用，此时也将数据块b+1预读到Cache中；如果数据块b已经在Cache中，但是这个数据块b已经被处理器使用过，此时不将数据块b+1预读到Cache中。(www.chuimin.cn)
这种“tagged预读机制”还有许多衍生机制，比如可以将数据块b+1，b+2都预读到Cache中，还可以根据程序的执行信息，将数据块b-1，b-2预读到Cache中。
但是这些方法都无法避免因为预读而造成的Cache污染问题，于是出现了Stream buffer机制。采用该机制，处理器可以将预读的数据块放入Stream Buffer中，如果处理器使用的数据没有在Cache中，则首先在Stream Buffer中查找，采用这种方法可以消除预读对Cache的污染，但是增加了系统设计的复杂性。
与软件预读机制相比，硬件预读机制可以根据程序执行的实际情况进行预读操作，是一种动态预读方法；而软件预读机制需要对程序进行静态分析，并由编译器自动或者由程序员手工加入软件预读指令来实现。
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2023-06-27
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