计算机组成结构-Lecture04

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1、计算机组成结构教师：傅均班级：计科1001/10024.3高速缓冲存储器一、概述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程序访问的局部性原理2.Cache的工作原理(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4.3(2)命中与未命中缓存共有C块主

2、存共有M块M>>C主存块调入缓存主存块与缓存块建立了对应关系用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4.3(3)Cache的命中率CPU欲访问的信息在Cache中的比率命中率与Cache的容量与块长有关一般每块可取4~8个字块长取一个存取周期内从主存调出的信息长度CRAY_116体交叉块长取16个存储字IBM370/1684体交叉块长取4个存储字（64位×4=256位）4.3(4)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

3、tc，访问主存的时间为tm4.3则e=×100%tch×tc+(1－h)×tm访问Cache的时间平均访问时间e=×100%3.Cache的基本结构4.3Cache替换机构Cache存储体主存Cache地址映射变换机构由CPU完成4.Cache的读写操作访问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读4.3Cache和主存的一致性4.Cache的读写操作写4.3写直达法（Write–through）写回法（Write–

4、back）写操作时数据既写入Cache又写入主存写操作时只把数据写入Cache而不写入主存当Cache数据被替换出去时才写回主存写操作时间就是访问主存的时间，读操作时不涉及对主存的写操作，更新策略比较容易实现写操作时间就是访问Cache的时间，读操作Cache失效发生数据替换时，被替换的块需写回主存，增加了Cache的复杂性5.Cache的改进(1)增加Cache的级数片载（片内）Cache片外Cache(2)统一缓存和分立缓存指令Cache数据Cache与主存结构有关与指令执行的控制方式有关是否流水Pentium8K指令Ca

5、che8K数据CachePowerPC62032K指令Cache32K数据Cache4.3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内地址否是命中二、Cache–主存的地址映射1.直接映射每个缓存块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=jmodC4.3字块2c+1字块2c字块0字块02.

6、全相联映射主存中的任一块可以映射到缓存中的任一块字块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04.3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某一主存块j

7、按模Q映射到缓存的第i组中的任一块i=jmodQ直接映射全相联映射3.组相联映射4.3字块0字块1字块0字块2c-r字块2c-r+1三、替换算法1.先进先出（FIFO）算法2.近期最少使用（LRU）算法小结某一主存块只能固定映射到某一缓存块直接全相联组相联某一主存块能映射到任一缓存块某一主存块只能映射到某一缓存组中的任一块不灵活成本高4.3课后作业P19习题1、3、5、6、11P38习题3预习p41~66内容