高速緩沖存儲(chǔ)器cache的工作原理及技術(shù)實(shí)現(xiàn)

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1、桂林理工大學(xué)2013年春季學(xué)期<<計(jì)算機(jī)組成原理X>>課程論文題目：高速緩沖存儲(chǔ)器Cache的工作原理及技術(shù)實(shí)現(xiàn)專業(yè)：網(wǎng)絡(luò)工程班級(jí)：網(wǎng)絡(luò)11-2班學(xué)號(hào)：3110757202姓名：xxx信息科學(xué)與工程學(xué)院2013年7月【內(nèi)容摘要】?緩沖存儲(chǔ)器用在兩個(gè)工作速度不同的硬件之間,在交換信息過(guò)程中起到緩沖作用，它能提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作效益。高速緩沖存儲(chǔ)器Cache是架設(shè)在CPU與內(nèi)存之間的臨時(shí)存儲(chǔ)器，它的容量比內(nèi)存小但交換速度快，主要用來(lái)提高CPU提取數(shù)據(jù)的速度，Cache作為PC系統(tǒng)中一個(gè)重要功能部件，已成為評(píng)價(jià)和選購(gòu)PC系統(tǒng)的重要指標(biāo)，下面主要談?wù)凜ache的原理、設(shè)計(jì)

2、及發(fā)展趨勢(shì)?！娟P(guān)鍵詞】?Cache?CPU??命中率??映像??局部性原理【前言】我們通常都認(rèn)為計(jì)算機(jī)的速度是由CPU決定的,雖然CPU主頻的提升會(huì)帶動(dòng)系統(tǒng)性能的改善，但系統(tǒng)性能的提高不僅僅取決于CPU，還要有其它的硬件或軟件來(lái)充分發(fā)揮它的速度，與系統(tǒng)架構(gòu)、指令結(jié)構(gòu)、信息在各個(gè)部件之間的傳送速度及存儲(chǔ)部件的存取速度等因素有關(guān)，特別是與CPU/內(nèi)存之間的存取速度有關(guān)。我們知道要使用的軟件都要通過(guò)主存儲(chǔ)器(內(nèi)存)才能運(yùn)行,而主存儲(chǔ)器的運(yùn)行速度和CPU之間有一個(gè)數(shù)量級(jí)的差距,這就限制了CPU速度潛力的發(fā)揮，若CPU工作速度較高，但內(nèi)存存取速度較低，則造成CPU等待，降低

3、處理速度，浪費(fèi)CPU的能力。如500MHz的PⅢ，一次指令執(zhí)行時(shí)間為2ns,與其相配的內(nèi)存（SDRAM）存取時(shí)間為10ns，比前者慢5倍，CPU和PC的性能怎么發(fā)揮出來(lái)？如何減少CPU與內(nèi)存之間的速度差異？有4種辦法：一種是在基本總線周期中插入等待，這樣會(huì)浪費(fèi)CPU的能力。另一種方法是采用存取時(shí)間較快的SRAM作存儲(chǔ)器，這樣雖然解決了CPU與存儲(chǔ)器間速度不匹配的問(wèn)題，但卻大幅提升了系統(tǒng)成本。第3種方法是在慢速的DRAM和快速CPU之間插入一速度較快、容量較小的SRAM，起到緩沖作用；使CPU既可以以較快速度存取SRAM中的數(shù)據(jù)，又不使系統(tǒng)成本上升過(guò)高，這就是Cac

4、he法。還有一種方法，采用新型存儲(chǔ)器。目前，一般采用第3種方法。它是PC系統(tǒng)在不大增加成本的前提下，使性能提升的一個(gè)非常有效的技術(shù)。高速緩沖存儲(chǔ)器Cache的運(yùn)行速度高于主存儲(chǔ)器數(shù)倍,與CPU速度差不多,容量較小?！菊摹恳弧⒏咚倬彌_存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)Cache的功能是用來(lái)存放那些近期需要運(yùn)行的指令與數(shù)據(jù)。目的是提高CPU對(duì)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)速度。為此需要解決2個(gè)技術(shù)問(wèn)題：一是主存地址與緩存地址的映象及轉(zhuǎn)換；二是按一定原則對(duì)Cache的內(nèi)容進(jìn)行替換。Cache的結(jié)構(gòu)和工作原理如下圖所示。主要由三大部分組成：　　Cache存儲(chǔ)體：存放由主存調(diào)入的指令與數(shù)據(jù)塊。　　地址轉(zhuǎn)換部件：

5、建立目錄表以實(shí)現(xiàn)主存地址到緩存地址的轉(zhuǎn)換?！　√鎿Q部件：在緩存已滿時(shí)按一定策略進(jìn)行數(shù)據(jù)塊替換，并修改地址轉(zhuǎn)換部件。Cache通常由相聯(lián)存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)。相聯(lián)存儲(chǔ)器的每一個(gè)存儲(chǔ)塊都具有額外的存儲(chǔ)信息，稱為標(biāo)簽(Tag)。當(dāng)訪問(wèn)相聯(lián)存儲(chǔ)器時(shí)，將地址和每一個(gè)標(biāo)簽同時(shí)進(jìn)行比較，從而對(duì)標(biāo)簽相同的存儲(chǔ)塊進(jìn)行訪問(wèn)。Cache的3種基本結(jié)構(gòu)如下：??1、全相聯(lián)Cache。地址映象規(guī)則：主存的任意一塊可以映象到Cache中的任意一塊　　(1)主存與緩存分成相同大小的數(shù)據(jù)塊?！　?2)主存的某一數(shù)據(jù)塊可以裝入緩存的任意一塊空間中。　　全相聯(lián)方式的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖所示。如果Cache的塊數(shù)為C

6、b，主存的塊數(shù)為Mb，則映象關(guān)系共有Cb×Mb種。在全相聯(lián)Cache中，存儲(chǔ)的塊與塊之間，以及存儲(chǔ)順序或保存的存儲(chǔ)器地址之間沒(méi)有直接的關(guān)系。程序可以訪問(wèn)很多的子程序、堆棧和段，而它們是位于主存儲(chǔ)器的不同部位上。因此，Cache保存著很多互不相關(guān)的數(shù)據(jù)塊，Cache必須對(duì)每個(gè)塊和塊自身的地址加以存儲(chǔ)。當(dāng)請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，Cache控制器要把請(qǐng)求地址同所有地址加以比較，進(jìn)行確認(rèn)。這種Cache結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是，它能夠在給定的時(shí)間內(nèi)去存儲(chǔ)主存器中的不同的塊，命中率高；缺點(diǎn)是每一次請(qǐng)求數(shù)據(jù)同Cache中的地址進(jìn)行比較需要相當(dāng)?shù)臅r(shí)間，速度較慢，成本高，因而應(yīng)用少。2、直接映像Ca

7、che。地址映象規(guī)則：主存儲(chǔ)器中一塊只能映象到Cache的一個(gè)特定的塊中?！　?1)主存與緩存分成相同大小的數(shù)據(jù)塊?！　?2)主存容量應(yīng)是緩存容量的整數(shù)倍，將主存空間按緩存的容量分成區(qū)，主存中每一區(qū)的塊數(shù)與緩存的總塊數(shù)相等?！　?3)主存中某區(qū)的一塊存入緩存時(shí)只能存入緩存中塊號(hào)相同的位置。直接相聯(lián)映象規(guī)則如下圖直接映像Cache不同于全相聯(lián)Cache，地址僅需比較一次。在直接映像Cache中，由于每個(gè)主存儲(chǔ)器的塊在Cache中僅存在一個(gè)位置，因而把地址的比較次數(shù)減少為一次。其做法是，為Cache中的每個(gè)塊位置分配一個(gè)索引字段，用Tag字段區(qū)分存放在Cache位置上

8、的不同的塊