《计算机组成原理》教程第5章存储器-CACHE2.ppt
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1、5.3 高速缓冲存储器(高速缓冲存储器(Cache)1.Cache-存储器映象存储器映象2.替换算法替换算法问题的提出问题的提出1.CPU和和I/O争抢访问主存争抢访问主存2.主存速度始终跟不上主存速度始终跟不上CPU的发展的发展100MHz的的Pentium处理器平均处理器平均10ns就执行一条指令,就执行一条指令,而而DRAM的典型访问时间是的典型访问时间是60120ns。Cache的出现主要使的出现主要使CPU不直接访问主存,只不直接访问主存,只与高速与高速Cache交换信息。交换信息。程序访问的局部性原理程序访问的局部性原理时间局部性:最近的访问项(指令时间局部性:最近的访问项(指令/
2、数据)很可能在数据)很可能在不久的将来再次被访问(往往会引起对最近使用区域不久的将来再次被访问(往往会引起对最近使用区域的集中访问)的集中访问)空间局部性:一个进程访问的各项其地址彼此很近空间局部性: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)(往往会访问在存储器空间的同一区域)命中、不命中、命中率命中、不命中、命中率Cache命中(命中(hit)CPU欲访问的数据已在缓存中,即可直接访问欲访问的数据已在缓存中,即可直接访问CacheCache不命中(不命中(miss)CPU欲访问的数据不在欲访问的数据不在Cache内,此时需将该内,此时需将该数所在的主存整个子块一次调
3、入数所在的主存整个子块一次调入Cache中。中。命中率命中率是指是指CPU要访问的信息已在要访问的信息已在Cache内的比率。通常用命中率来衡量内的比率。通常用命中率来衡量Cache的的效率。效率。Cache效率效率Cache的的容量容量和和块长块长是影响是影响Cache效率的重效率的重要因素。要因素。Cache容量越大,命中率越高。容量越大,命中率越高。当当Cahce容量达到一定值时,命中率不会因容量容量达到一定值时,命中率不会因容量的增大而明显提高。的增大而明显提高。Cache容量大,成本增加。容量大,成本增加。Cache的命中率与的命中率与cache容量的关系容量的关系1Cache容量容
4、量命中率命中率Cache的读数操作流程的读数操作流程开始开始CPU发出访存地址发出访存地址访问访问Cache取取出信息送出信息送CPU命命中中?结束结束访问主存取出访问主存取出信息送信息送CPU将新的主存块将新的主存块调入调入Cache中中执行替换算执行替换算法腾出空位法腾出空位Cache满满?YNNYCache的写操作的写操作命中命中写直达法(写直达法(Write-through、Store-though)每次写入每次写入Cache的同时,也写入主存。的同时,也写入主存。写回法(写回法(Write-back):):执行写操作时,信息只写入执行写操作时,信息只写入Cache;当当Cache块被
5、替换时,先将该块内容写回主存,然后再调入新页。块被替换时,先将该块内容写回主存,然后再调入新页。信息只写入主存,同时将相应的信息只写入主存,同时将相应的Cache块块有效位有效位置置“0”不命中:被修改的单元根本不在不命中:被修改的单元根本不在Cache内,此时写操作内,此时写操作只能对主存进行。只能对主存进行。比较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,都要附加一个比写写入时,都要附加一个比写Cache长得多的写主存时间。长得多的写主存时间。一般来说,写直达法的开销大一些,但其一般来说,写直达法的开销大一些,但其
6、一致性一致性保持的要好一保持的要好一些。些。关键在于如何使关键在于如何使Cache与主存内容保持一致。与主存内容保持一致。Cache的基本结构的基本结构Cahce存储体、地址映象变换机构、替换机构存储体、地址映象变换机构、替换机构Cahce存储体存储体以块为单位和主存交换信息以块为单位和主存交换信息Cache访存的优先级最高访存的优先级最高地址映象变换机构地址映象变换机构主要是主要是 主存块号和主存块号和Cache块号之间的转换。块号之间的转换。四种映象:直接映象、全相联映象、组相联映象和四种映象:直接映象、全相联映象、组相联映象和段相联映象。段相联映象。替换机构替换机构Cache内容已满时,
7、无法接受来自主存块的信内容已满时,无法接受来自主存块的信息,需由息,需由Cache内的替换机构按一定的内的替换机构按一定的替换算替换算法法来确定从来确定从Cache内移出某个块写回主存。内移出某个块写回主存。Cache主存地址映象主存地址映象由主存地址映象到由主存地址映象到CacheCache地址称为地址映象。地址称为地址映象。直接映象直接映象全相联映象全相联映象组相联影响组相联影响段相连映象段相连映象1.直接映象直接映象CacheCache字块数为:字块数为:C=2C=2c c主存字块数为:主存字块数为:M=2M=2m m映射关系式:映射关系式:i=j mod Ci=j mod C 或或 i
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