cache的原理与地址映像机制

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1、Cache原理与地址映像机制重点Cache的工作原理Cache的基本结构地址映像机制替换策略1.问题的提出避免CPU“空等”现象CPU和主存（DRAM）的速度差异程序访问的局部性原理一、Cache的工作原理空间局部性时间局部性1.问题的提出避免CPU“空等”现象CPU和主存（DRAM）的速度差异缓存CPU主存容量小速度高容量大速度低一、Cache的工作原理字块主存块调入缓存主存块与缓存块建立了对应关系标记记录与某缓存块建立了对应关系的主存块号命中未命中主存块与缓存块未建立对应关系主存块未调入缓存2.Cache的命中率命中率CPU欲访问

2、的信息在Cache中的比率命中率与Cache的容量与块长有关命中率CPU欲访问的信息在Cache中的比率命中率与Cache的容量与块长有关Cache–主存系统的效率效率e与命中率有关设Cache命中率为h，访问Cache的时间为tc，访问主存的时间为tm则e=×100%tch×tc+(1－h)×tm访问Cache的时间平均访问时间e=×100%3.Cache的读操作访问Cache取出信息送CPU访问主存取出信息送CPU将新的主存块调入Cache中执行替换算法腾出空位结束命中？Cache满？CPU发出访问地址开始是否是否4.Cache的

3、基本结构Cache替换机构Cache存储体主存Cache地址映像变换机构由CPU完成二、地址映射机制主存和缓存的编址~~~~……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缓存块号二、地址映像机制地址映像机制AC=f(AM)常用的地址映像方式直接映像方式全相联映像方式组相联映像方式二、地址映像机制1.直接相联字块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

4、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012c－1…字块字块地址主存字块标记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内地址否是命中字块2c+1字块2c字块0字块0二、地址映像机制1.直接相联特点：主存地址块映射到Cache的固定块j＝imod(M)实现简单空间利用率低，冲突概率高二、地址映像机制2.全相联字块2m－1字块2c－1字块1字块0……字块2c－1字块1字块0…标记标记标记主存字块标记字块内地址主存地址m=t+c位b位m=t+cCache存储器主存储器字块0二、地址映像机

5、制2.全相联特点：主存地址块映射到Cache的任意块空间利用率高，冲突概率低实现复杂二、地址映像机制3.组相联字块2m－1字块2c-r+1字块2c-r+1字块2c-r字块2c-r－字块1字块0………字块3标记字块1标记字块2c－1标记字块2标记字块0标记字块2c－2标记…………字块内地址组地址主存字块标记s=t+r位q=c－r位b位组012c-r－1主存地址Cache主存储器m位共Q组，每组内两块（r=1)1字块0字块1字块0字块2c-r字块2c-r+1二、地址映像机制3.组相联特点：主存地址块映射到Cache的固定组中的任意块直接映

6、像和全相联映像的折衷二、地址映像机制3.组相联若主存第i块映象第k组，则:k＝imod（Q）（Q为Cache的组数）设Q＝2q，则当表示为二进制数时，k实际上就是i的低q位：q位ki：二、地址映像机制3.组相联n路组相联：每组中有n个块(n＝M/G)n称为相联度。相联度越高，Cache空间的利用率就越高，块冲突概率就越低，命中率也就越高。全相联直接映象组相联n(路数)G(组数)MM111＜n＜M1＜G＜M二、地址映像机制4.查找方法基于目录表的查找二、地址映像机制4.查找方法基于目录表的查找只需查找候选位置所对应的目录表项二、地址映像

7、机制4.查找方法并行查找顺序查找二、地址映像机制4.查找方法顺序查找主候选位置(MRU块)二、地址映像机制4.查找方法并行查找硬件：相联存储器单体多字存储器二、地址映像机制4.查找方法并行查找硬件：相联存储器单体多字存储器二、地址映像机制练习某计算机cache采用4路组相联映像，已知cache容量为16KB，主存容量为2MB，每个字块有8个字，每个字32位。（1）主存地址多少位，各字段如何划分？（2）设cache起始为空，CPU从主存单元地址0开始依次读出101个字，并重复此次序读11次，求命中率。（3）若cache速度是主存的5倍，

8、问采用cache比不采用cache速度提高多少？