存储器层次结构课件.ppt

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1、3.7高速缓冲存储器CacheCache引入:为解决CPU和主存之间的速度差距,提高整机的运算速度,在CPU和主存之间插入的由高速电子器件组成的容量不大,但速度很快的存储器。Cache特点：存取速度快（数倍于主存），容量小，价格高，存储控制和管理由硬件实现。透明性：由于转换速度快，软件人员丝毫未感到Cache的存在，这种特性称为Cache的透明性。3.7.1Cache存储器的工作原理（1）程序访问的局部性在较短时间内，由程序产生的地址往往集中在存储器逻辑地址空间的很小范围内。这种对局部的存储器地址频繁访问，而对此范围以外的地址范围

2、甚少的现象就称为程序访问的局部性。（2）Cache功能将CPU当前快要用到的部分数据块由主存复制到容量小、速度快的Cache中,再由Cache向CPU直接提供它所需要的数据。Cache内部存放的是部分主存内容的副本。（3）Cache的组成CPU与Cache之间的数据交换是以字为单位，而Cache与主存之间的数据交换是以块(页）为单位，一个块（页）由若干定长度的字组成。Cache内部用同主存内部同样大小的块组成。在Cache中，每一块外加有一个标记，指明它是主存的哪一块的副本，所以该标记的内容相当于主存中块的编号。为了识别一个Cac

3、he信息块中的信息是否有效，还要在标记中增加一个有效位。Cache由高速小容量的SRAM和高速缓存控制器组成。主存和缓存Cache的编址主存和缓存按块存储，块的大小相同。B=2b，为每个块的大小~~~~……主存块号主存储器012m－1字块0字块1字块M－1主存块号块内地址m位b位n位M块B个字缓存块号块内地址c位b位C块B个字~~~~……字块0字块1字块C－1012c－1标记Cache缓存块号数据总线Cache替换机构可装进？命中？主存Cache地址映象变换机构主存访问主存替换CacheCache存储体块号块内地址直接通路访问主存

4、装入CacheNNYY块号块内地址CPU主存地址地址总线Cache地址Cache的工作流程Cache替换机构由CPU完成Cache存储体主存Cache地址映象变换机构Cache工作流程CPU送出主存（大）地址，若命中（hit），此大地址变换成Cache（小）地址并送Cache，将读出的字传送到CPU的DB；不命中（miss），主存将读出的字送到DB，同时，将该字所在块（若干个字）送到Cache，若Cache中可以装入就直接写入，不能装入就根据一定的算法进行置换。3.7.2Cache的地址映像方式地址映像：访问前，用某种函数或规则使

5、主存地址与Cache地址具有某种逻辑对应关系，即把主存地址定位到Cache中。地址变换：访问时，将主存地址按映像规则换成Cache地址的过程。Cache的基本映像方式：直接映像全相联映像组相联映像1.直接映像将主存分成与Cache同样大小的若干个区（组），每个区中的某个块只能映像到Cache中的一个固定块。直接映像函数可定义为：i=jmodC或i=jmod2c其中，i是Cache的字块号，j是主存的字块号，C为Cache存放的信息块数，c是区内块地址位数。直接映像示意图第0块第1块第2块第3块第4块第5块第6块第7块第8块第248

6、块第249块第250块第251块第252块第253块第254块第255块第0块第1块第2块第3块第4块第5块第6块第7块主存Cache有效位标记数据……第0区第31区字块2m－1字块2c+1字块2c+1－1字块2c+1字块2c字块2c－1字块1字块0………主存储体字块1标记字块0标记字块2c－1标记Cache存储体t位01C－1…字块字块地址主存区块标记t位c位b位主存地址比较器（t位）=≠不命中有效位=1？*m位Cache内地址否是命中每个缓存块i可以和若干个主存块对应每个主存块j只能和一个缓存块对应i=jmodC字块2c+1字

7、块2c字块0字块0直接映像Cache组织直接映像优点：实现简单，只需利用主存地址，按某些字段直接判断，即可确定所需字块是否已在Cache存储器中。缺点：不够灵活，即主存的2t个字块只能对应唯一的Cache存储器字块。因此，即使Cache存储器别的许多地址空着也不能占用。这使得Cache存储空间得不到充分利用，并降低了命中率。例1：某机主存为1MB,每页512B，这样划分2048页，共分0~127个区，每区16页；Cache为8KB,每页512B，划分16页（行）。标记0页标记1页……标记15页0页1页…15页16页17页…31页…

8、2032页2033页…2047页主存区号Cache页号页内地址0区1区127区在访存时，只需比较两者标记，如相同则命中7位主存地址7位4位9位标记为主存的区号主存页号…Cache主存Cache地址注：这里的页相当于以上所介绍的字块。2.全相联映像允