Cache的原理与地址映像机制.ppt

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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(1)主存和缓存的编址主存和缓存按块存储块

2、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缓存块号命中率命中率：CPU访问cache的次数占总访问次数的比例。设NC表示cache完成存取的总次数，NM表示主存完成存取的总次数，h为命中率，则有：h=NC/（NC+NM）若tC表示命中时的cache访问时间，tm表示未命中时的主存访问时间，则cache/主存系统的平均访问时间ta为：ta=htc+（1-h）tm目标：以较小的硬件代价使cach

3、e/主存系统的平均访问时间ta越接近tc越好，用e表示访问效率表示。设tm/tc=r则有：e=tc/ta=1/(r+(1-r)h)命中率h越接近于1越好，r值以5～10为宜，不宜太大。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

4、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

5、0字块0检索过程：根据内存地址中的t位标记与cache的标记位相比较，然后将块地址与cache的块地址相比较，判断是否命中。特点：硬件实现简单，成本低。但每个主存块只有一个固定的行可以存放。当cache的行数较少时发生冲突的可能性很大，频繁的置换会使cache的效率下降。直接映射方式一般用于大容量的cache中。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

6、址m=t+c位b位m=t+cCache存储器主存储器字块0全相联映射方式的检索过程：CPU发出内存地址的块号部分（s位）与cache中所有行中的标记部分同时比较，若某行的标记与要访问的块号相同，命中，则再根据块内地址（b位）从该行中读取相应字；否则，未命中，则按内存地址从主存中读取一个字。优点:灵活，cache可以得到充分利用。但当行数较多时要实现所有行中的标记部分同时参与比较，电路实现困难。全相联映射方式一般用于小容量cache。二、地址映像机制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

7、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组相联映射检索过程：根据地址中的组地址找到cache的相应组，然后将该组的标记部分与内存地址的块号同时比较，判断是否命中。特点：组内有一定的灵活性，而且因组内行数的减少，比较的硬件电路比全相联方式简单些。组相联映射的每组

8、的行数v一般取值较小，典型值为2，4，8，16。为强