计算机组成原理-第4章 存储器-2(cache).pdf

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1、本章内容本章内容�4.1概述�4.2主存储器•4.3高速缓冲存储器•4.4辅助存储器•4.6相联存储器4.34.3高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（CacheCache））1.Cache-存储器映象2.替换算法问题问题•为什么需要Cache？–性能、结构•Cache有效性的理论基础–局部性•影响Cache命中率的因素•Cache的读写操作过程•Cache的基本结构和映射机制•Cache的替换策略问题的提出（问题的提出（11））•主存速度始终跟不上CPU的发展–100MHz的Pentium处理器平均10ns

2、就执行一条指令，而DRAM的典型访问时间是60～120ns。16x14x12xProcessor(MIPS)10x8xHardDisk(capacity)J.Rabaey,BWRC6xMemory(capacity)4x2xBattery(energystored)Improvement(comparedtoyear0)1x0123456Time(years)问题的提出（问题的提出（22））•结构冲突•总线占用：CPU和I/O争抢访问主存•访存冲突：指令预取与数据读写超前控制、流水线控制超前控制、流水线

3、控制•超前控制：在当前指令执行过程尚未结束时，提前将下一条准备执行的指令取出（指令预取）•流水线控制：实质上是多条指令同时执行。–强调指令的预取和指令的并行执行。–必须将指令Cache和数据Cache分开Cache的作用•使CPU不直接访问主存，只与高速Cache交换信息。–Cache的速度比主存快5－10倍。–让出总线字传送块传送CPUCache主存数据高速CACHE缓CPU存主存控制地址器数据程序访问的局部性原理•时间局部性：最近的访问项（指令/数据）很可能在不久的将来再次被访问（往往会引起对最近使

4、用区域的集中访问）•空间局部性空间局部性：一个进程访问的各项其地址彼此很近（往往会访问在存储器空间的同一区域）•fori:=0to10doA[i]:=0;命中、不命中、命中率命中、不命中、命中率•Cache命中（hit）–CPU欲访问的数据已在缓存中，即可直接访问Cache•Cache不命中（miss,失配，缺失）–CPU欲访问的数据不在Cache内，此时需将该数所在的主存整个子块一次调入Cache中。•命中率（Hitrate）–CPU要访问的信息已在Cache内的比率。•通常用命中率来衡量Cache的

5、效率。•不命中率（Missrate）Cache基本结构参数块（行）大小4——128字节命中时间1——2时钟周期（常规为1）失配时间8——100时钟周期（访问时间）（6——60时钟周期）（传送时间）（2——40时钟周期）失配率0.5%——10%Cache容量1KB——1MBCache/主存存储空间的基本结构主存储器标记Cache主存块号字块0字块0n位m位b位字块1字块1主存块号块内地址M块B个字字块2c-1c位b位字块2m-1块号块内地址C块B个字•如何判断是否命中？CacheCache效率效率•Cac

6、he的容量和块长是影响Cache效率的重要因素。•Cache容量越大，命中率越高。–当Cahce容量达到一定值时，命中率不会因容量的增大而明显提高。–Cache容量大，成本增加。Cache的命中率与cache容量的关系命中率H1CacheC容量块容量与命中率命中率H1容量大容量小块大小BC例例•设Cache的速度是主存的5倍，命中率为95%，则采用Cache后性能提升多少？系统平均访问时间=0.95*t+0.05*5t=1.5t性能提升=5t/1.5t=3.33倍CacheCache的读操作的读操作CP

7、U开始CacheCPU发出访存地址MEMNY命中?YCache满?N访问Cache取访问主存取出将新的主存块执行替换算出信息送CPU信息送CPU调入Cache中法腾出空位结束CacheCache的写操作的写操作•关键在于如何使Cache与主存内容保持一致。•命中–写直达法（Write-through、Store-though）•每次写入Cache的同时，也写入主存。–写回法（Write-back）：•执行写操作时，信息只写入Cache；•当Cache块被替换时，先将该块内容写回主存，然后再调入新页。–使

8、无效法（Invalidated）•信息只写入主存，同时将相应的Cache块有效位置“0”•影响读操作•不命中–被修改的单元不在Cache内，此时只对主存写。•比较–写回法的开销是在块替换时的回写时间，而写直达法则在每次写入时，都要附加一个比写Cache长得多的写主存时间。–一般来说，写直达法的开销大一些，但其一致性保持的要好一些。CacheCache的基本结构的基本结构Cache存储体、地址映象变换机构、替换机构•Cache存储体–以块为单