高速缓冲存储器(cache)

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1、§3高速缓冲存储器（Cache）工作原理和基本结构地址映象与变换Cache存储器的LRU替换算法的硬件实现Cache存储器的透明性及性能分析为什么要使用Cache?用以弥补主存速度的不足。CPU速度与主存速度相差很大（例如，一般的DRAM的工作速度比CPU慢100倍以上。Cache工作速度很高，可以将其集成到CPU内。高性能CPU通常用两级Cache,一级在CPU内，其容量比较小，速度很快，第二级在主板上，容量比较大，速度比第一级低5倍左右。Cache全部用硬件调度对所有程序员都是透明的。Cache与主存储器之间以块为单位进行数据交换。块的大小通常以在主存储器的一个存储周期内可以

2、访问到的数据长度为限。存储系统两级存储器速度比Cache虚拟存储器要达到的目标提高速度扩大容量实现方法全部硬件软件为主硬件为辅3~10倍105倍页(块)大小1~16字1KB~16KB等效存储容量主存储器虚拟存储器透明性对系统和应用程序员仅对应用程序员不命中时处理方式等待主存储器任务切换Cache存储系统与虚拟存储系统比较块号块内地址主存-Cache地址映象变换机构块号块内地址Cache主存Cache替换策略来自处理机主存地址Cache地址访主存替换Cache访主存装入Cache去处理机直接通路单字宽多字宽单字宽已装不进还可装入不命中命中高速缓冲存储器Cache基本结构把主存和

3、Cache机械等分成相同大小的块（行），块比页小得多；访问Cache的时间时访问主存时间的1/4到1/10；Cache和CPU是同类型的半导体器件；Cache-主存间的地址映像和变换，以及替换、调度算法用硬件实现，对应用程序员透明，也对系统程序员透明；基本结构（续）Cache在物理位置上靠近CPU，不在主存，减少传输延迟；除Cache到处理机的通路外，还设有主存到处理机的通路，因此，Cache既是Cache-主存存储层次中的一级，又是处理机和主存的一个旁视存储器；有Cache的主存系统都采用多体交叉存储器；应尽量提高Cache的访主存的优先级；地址映象与变换地址映象：是将每个主存

4、块按某种规则（算法）装入（定位于）Cache,并建立主存地址与Cache地址之间的对应关系。地址变换：是主存块按照这种映象关系装入Cache后,每次访Cache，如何将主存地址变换成Cache地址。在选取地址映象方法要考虑的主要因素：地址变换的硬件容易实现；地址变换的速度要快；主存空间利用率要高；发生块冲突的概率要小四种方式全相联映象与变换直接映象与变换组相联映像与变换段相联映象全相联映象与变换定义及规则映象规则：主存中的任意一块都可以映象到Cache中的任意一块。如果Cache的块数为Cb，主存的块数为Mb，映象关系共有：Cb×Mb种。用硬件实现非常复杂在虚拟存储器中，全部用软

5、件实现相联目录表法变换过程，如下图。特点：冲突概率低空间利用率高地址变换复杂块0Cache块1……块Cb-1块0块1……块i……块Mb-1主存储器全相联映象方式有效位块号B块内地址主存地址目录表（由相联存储器组成，共Cb个字）主存块号BB块号b块内地址wCache块号bb相联比较命中Cache地址直接映象与变换定义及规则映象规则：主存中一块只能映象到Cache的一个特定的块中。计算公式：b＝BmodCb，其中：b为Cache的块号，B是主存的块号，Cb是Cache的块数。整个Cache地址与主存地址的低位部分完全相同。变换过程，如下图。特点：硬件简单冲突概率高出现大量空闲块很少使

6、用。块0Cache块1……块Cb-1块0……块Cb-1主存储器直接相联映象方式块Cb……块2Cb-1块Mb-Cb……块Mb-1……区0区1区Me-1地址变换过程用主存地址中的块号B去访问区号存储器把读出来的区号与主存地址中的区号E进行比较比较结果相等,且有效位为1,则Cache命中比较结果相等,有效位为0,表示Cache中的这一块已经作废比较结果不相等,有效位为0,表示Cache中的这一块是空的比较结果不相等,有效位为1,表示原来在Cache中的这一块是有用的有效位区号E块内地址w1主存地址区表存储器区号E(按地址访问)E块号b块内地址w命中Cache地址块号B相等比较块失效

7、比较相等且有效位为1，访问Cache提高Cache速度的一种方法：把区号存储器与Cache合并成一个存储器直接映象方法的主要优点：硬件实现很简单,不需要相联访问存储器访问速度也比较快,实际上不做地址变换直接映象方式的主要缺点:块的冲突率较高有效位区号E块内地址w1按地址访问的Cache区号E块号b块内地址w相等块号B相等比较访主存数据0D0数据1D1…………数据w-1Dw-11/w…送CPU组相联映像与变换定义及规则：各组之间是直接映象，组内各块间是全相联映象。变换过程，如