高速缓冲存储器

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1、高速缓冲存储器1cache基本原理2主存与cache的地址映射3替换策略4cache的一致性问题5cache的性能评价6多层次Cache存储器事实上，CPU在执行程序时，访存地址是相对簇集的，即访存具有相对的局部性。这就叫做程序访问的局部性原理。1cache基本原理时间局部性：在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很有可能被再次访问。空间局部性：这些程序和数据往往集中在一个小的存储区内。访问顺序：指令顺序执行的可能性比转移执行大（大概是5：1）CPU与cache之间数据交换的单位是字，cach

2、e与主存之间数据交换单位是块。一个块由若干个字组成，是定长的。当CPU读取主存中一个字时，便发出此字的内存地址到cache和主存。此时cache控制逻辑依据地址判断此字当前是否在cache中：若是，此字立即传送给CPU；若非，则用主存读周期把此字从主存读出送到CPU，与此同时，把含有这个字的整个数据块从主存读出送到cache中。由始终管理cache使用情况的硬件逻辑电路来实现LRU替换算法。CPUCache主存主存地址字块需解决的问题：Cache的内容与主存之间的映象关系如何实现地址的转换，将访

3、问的主存地址转换成访问Cache的地址访问Cache若未命中，Cache未满时，如何调入Cache；Cache放满时，块又如何替换Cache的一致性问题，即块的更新策略2主存与cache的地址映射一、地址映像为了把信息放到cache中，必须应用某种函数把地址映像到cache中。地址变换：信息放入cache后，执行程序时，应将主存地址变换成cache地址，这个过程称为地址变换。(1)主存和缓存的编址主存和缓存按块存储块的大小相同B为块长~~~~……主存块号主存储器012m－1字块0字块1字块M－1

4、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cache的容量很小，它保存的内容只是主存内容的一个子集，且cache与主存的数据交换是以块为单位。为了把信息放到cache中，必须应用某种函数把主存地址定位到cache中。地址映射方式有直接映射方式、全相联映射方式和组相联映射方式三种。1）直接映射方式这是一种多对一的映射关系，一个主存块只能拷贝到cache的一个特定行位置上去cache的块号J和主存的块

5、号I有如下函数关系：J=ImodC(2c)（C为cache中的总块数)(2)地址映射方式(1)主存与缓存分成相同大小的数据块。(2)主存容量应是缓存容量的整数倍，将主存空间按缓存的容量分成区，主存中每一区的块数与缓存的总块数相等。(3)主存中某区的一块存入缓存时只能存入缓存中块号相同的位置。主存中各区内相同块号的数据块都可以分别调入缓存中块号相同的地址中，但同时只能有一个区的块存入缓存。由于主、缓存块号相同，因此，目录登记时，只记录调入块的区号即可。主存地址：区号–块号-块内地址下图示出了主、缓

6、冲地址格式、目录表的格式及地址变换规则。主、缓存块号及块内地址两个字段完全相同。目录表存放在高速小容量存储器中，其中包括二部分：数据块在主存的区号和有效位。目录表的容量与缓存的块数相同。地址变换过程用主存地址中的块号B去访问目录存储器，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，并且有效位为1，则Cache命中，可以直接用块号及块内地址组成的缓冲地址到缓存中取数；比较结果不相等，有效位为1，可以进行替换，如果有效位为0，可以直接调入所需块。优点：地址映象方式简单，数据访问时，只需检

7、查区号是否相等即可，因而可以得到比较快的访问速度，硬件设备简单。缺点：替换操作频繁，命中率比较低。例如：设有一个cache的容量为2K字，每个块为16字，求(1)该cache可容纳多少个块？(2)如果主存的容量是256K字，则有多少个块？(3)主存的字地址有多少位？Cache字地址有多少位？(4)在直接映象方式下，主存中的第135块映象到cache中哪一个块中？(5)进行地址映象时，存储器的地址分成哪几段？各段分别有多少位？解：(1)cache中有2048/16=128个块。(2)主存有256K

8、/16=16384个块。(3)主存：字地址为18位，256K=218字。cache：字地址为11位，2K=211字。(4)主存中的第i块映象到cache中第（135mod128）7块中。(5)存储器的字地址分成三段：区号、块号、块内字地址。主存区号的长度为18-11=7位，块号为7位。块内字地址为4位。区号块号设一个Cache中有8个块，访问主存进行读操作的块地址序列为10110、11010、10110、11010、10000、00100、10000、10010，求每次访问时Cache的内容。2