高级计算机系统结构高速缓存ppt课件.ppt

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1、附：高速缓冲存储器(Cache)概述①Cache的起源和作用—MOS工艺半导体存储器—双极型高速存储器—零等待时间—Cache与内存的工作流程CPUCache命中内存不命中高级计算机体系结构高速缓冲存储器②程序特征与Cache的读写怎样判断哪些数据和程序代码是经常被访问的？“程序执行的局部性规律”高级计算机体系结构高速缓冲存储器描述:表现为那些最近被使用过的数据和指令被频繁重新使用的规律。统计值例:统计表明:在一个程序的执行过程中,执行时间的90％花在约10％的程序代码上。对Gcc编译器、Spice(CAD电路分析软件)、以及TeX(文本处理软件)三个典型测试程序的测试结果,相应的比

2、例分别为:13%、9.5％、9.3％包括:时间局部性规律和空间局部性规律—时间局部性规律:程序执行过程中近期被访问的信息可能很快将被再次访问;典型情况是程序中存在着大量的循环。—空间局部性规律:那些与被访问的地址相邻近的信息可能很快被访问;典型情况是程序顺序执行。高级计算机体系结构高速缓冲存储器按照“局部性规律”,数据或者代码被访问后,该数据和代码以及临近的数据代码近期被再次访问的概率,大于近期未被访问的数据/代码被访问的概率。因此,一个数据代码被访问后,被认为是经常被访问的数据和代码,将其存入Cache,使Cache有更高的命中率。高级计算机体系结构高速缓冲存储器程序执行的局部性

3、规律具有普适性,如:LRU淘汰算法动态分支预测技术内存中存放近期被访问的页表,大多数情况都能够满足应用需求80386/486处理器的TLB表命中率超过90％。高级计算机体系结构高速缓冲存储器③命中率Cache容量与命中率Cache的结构与命中率与软件以及所处理的数据量大小成反比④Cache的淘汰算法先进先出算法随机淘汰LRU(最近最久未使用淘汰)算法LFU算法(访问次数最少的内容被淘汰)⑤Cache命中与否的判断通过判断该数据/代码的地址是否在Cache中,而不是判断该数据/代码本身。高级计算机体系结构高速缓冲存储器一、高速缓存的结构及工作原理高速缓存的三种主要结

4、构:全关联式高速缓存直接对应式高速缓存多组关联式高速缓存高级计算机体系结构高速缓冲存储器1、全关联式高速缓存高速缓存由两部分组成,即地址部分(称为标签)和数据部分,如下图所示(假设地址24位,字长32位):高级计算机体系结构高速缓冲存储器标签(地址)......数据......2468246811223344333322228765432112345678内存FFFFFCFFFFF8FFFFF416339C000000.....…...........地址FFFFFC000000FFFFF416339CFFFFF8246824681234567833332222876543211

5、1223344假设:处理器读取FFFFFC地址单元,首先用该地址查找Cache,不命中。Cache将数据24682468读入处理器,同时将地址FFFFFC写入Cache标签字段,对应数据24682468写入Cache数据字段。处理器对存贮器的访问过程:读操作:CPU发出地址后,首先查找Cache的标签字段,如果存在该地址(命中Cache),读取Cache中该地址对应的数据本分;若不存在该地址(称为不命中),仍从主存单元中读取数据,并同时将该地址和对应的数据分别写入Cache的标签字段和数据部分。上述过程符合“程序实行的时间局部性规律”,如果下次再访问该地址,即可命中。写操作:CPU写数

6、据时,首先查找Cache,有该地址则命中,将该数据写入Cache而不写内存。高级计算机体系结构高速缓冲存储器全关联式的优缺点分别是:优点:直观、结构简单,Cache中数据的存放位置灵活。缺点:速度慢,Cache越大,速度越慢。平均查找次数为Cache容量的一半。高级计算机体系结构高速缓冲存储器假设:2、直接对应式高速缓存主存容量16M(24位地址),Cache容量为64K,字长32位。将16M内存空间逻辑上分为每64K为一个页面,共计可分为16M64K=256(个页面);将存储空间的地址看作一个二维的地址,即页号和页内地址;与内存二维地址相对应,Cache中的地址也分为页号和页

7、内地址,分别称为标签字段(即页号)和索引字段(即页内地址)。①结构及工作原理高级计算机体系结构高速缓冲存储器对于所有总共256页,需要8位地址作为标签(即地址的高8位A23～A16),指明访问哪一个页面;每页64K。需要16位地址作为页内地址A15～A0,指明访问一页的哪个单元。如下图所示:标签索引...页面页面页面指示某一单元指示某一页面高级计算机体系结构高速缓冲存储器索引FFFCFFF8FFF4000800040000....标签...