高速緩沖存儲(chǔ)器(cache)

《高速緩沖存儲(chǔ)器(cache)》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。

1、§3高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）工作原理和基本結(jié)構(gòu)地址映象與變換Cache存儲(chǔ)器的LRU替換算法的硬件實(shí)現(xiàn)Cache存儲(chǔ)器的透明性及性能分析為什么要使用Cache?用以彌補(bǔ)主存速度的不足。CPU速度與主存速度相差很大（例如，一般的DRAM的工作速度比CPU慢100倍以上。Cache工作速度很高，可以將其集成到CPU內(nèi)。高性能CPU通常用兩級(jí)Cache,一級(jí)在CPU內(nèi)，其容量比較小，速度很快，第二級(jí)在主板上，容量比較大，速度比第一級(jí)低5倍左右。Cache全部用硬件調(diào)度對(duì)所有程序員都是透明的。Cache與主存儲(chǔ)器之間以塊為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。塊的大小通常以在主存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)周期內(nèi)可以

2、訪問(wèn)到的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為限。存儲(chǔ)系統(tǒng)兩級(jí)存儲(chǔ)器速度比Cache虛擬存儲(chǔ)器要達(dá)到的目標(biāo)提高速度擴(kuò)大容量實(shí)現(xiàn)方法全部硬件軟件為主硬件為輔3~10倍105倍頁(yè)(塊)大小1~16字1KB~16KB等效存儲(chǔ)容量主存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器透明性對(duì)系統(tǒng)和應(yīng)用程序員僅對(duì)應(yīng)用程序員不命中時(shí)處理方式等待主存儲(chǔ)器任務(wù)切換Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)與虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)比較塊號(hào)塊內(nèi)地址主存-Cache地址映象變換機(jī)構(gòu)塊號(hào)塊內(nèi)地址Cache主存Cache替換策略來(lái)自處理機(jī)主存地址Cache地址訪主存替換Cache訪主存裝入Cache去處理機(jī)直接通路單字寬多字寬單字寬已裝不進(jìn)還可裝入不命中命中高速緩沖存儲(chǔ)器Cache基本結(jié)構(gòu)把主存和

3、Cache機(jī)械等分成相同大小的塊（行），塊比頁(yè)小得多；訪問(wèn)Cache的時(shí)間時(shí)訪問(wèn)主存時(shí)間的1/4到1/10；Cache和CPU是同類型的半導(dǎo)體器件；Cache-主存間的地址映像和變換，以及替換、調(diào)度算法用硬件實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)用程序員透明，也對(duì)系統(tǒng)程序員透明；基本結(jié)構(gòu)（續(xù)）Cache在物理位置上靠近CPU，不在主存，減少傳輸延遲；除Cache到處理機(jī)的通路外，還設(shè)有主存到處理機(jī)的通路，因此，Cache既是Cache-主存存儲(chǔ)層次中的一級(jí)，又是處理機(jī)和主存的一個(gè)旁視存儲(chǔ)器；有Cache的主存系統(tǒng)都采用多體交叉存儲(chǔ)器；應(yīng)盡量提高Cache的訪主存的優(yōu)先級(jí)；地址映象與變換地址映象：是將每個(gè)主存

4、塊按某種規(guī)則（算法）裝入（定位于）Cache,并建立主存地址與Cache地址之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。地址變換：是主存塊按照這種映象關(guān)系裝入Cache后,每次訪Cache，如何將主存地址變換成Cache地址。在選取地址映象方法要考慮的主要因素：地址變換的硬件容易實(shí)現(xiàn)；地址變換的速度要快；主存空間利用率要高；發(fā)生塊沖突的概率要小四種方式全相聯(lián)映象與變換直接映象與變換組相聯(lián)映像與變換段相聯(lián)映象全相聯(lián)映象與變換定義及規(guī)則映象規(guī)則：主存中的任意一塊都可以映象到Cache中的任意一塊。如果Cache的塊數(shù)為Cb，主存的塊數(shù)為Mb，映象關(guān)系共有：Cb×Mb種。用硬件實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜在虛擬存儲(chǔ)器中，全部用軟

5、件實(shí)現(xiàn)相聯(lián)目錄表法變換過(guò)程，如下圖。特點(diǎn)：沖突概率低空間利用率高地址變換復(fù)雜塊0Cache塊1……塊Cb-1塊0塊1……塊i……塊Mb-1主存儲(chǔ)器全相聯(lián)映象方式有效位塊號(hào)B塊內(nèi)地址主存地址目錄表（由相聯(lián)存儲(chǔ)器組成，共Cb個(gè)字）主存塊號(hào)BB塊號(hào)b塊內(nèi)地址wCache塊號(hào)bb相聯(lián)比較命中Cache地址直接映象與變換定義及規(guī)則映象規(guī)則：主存中一塊只能映象到Cache的一個(gè)特定的塊中。計(jì)算公式：b＝BmodCb，其中：b為Cache的塊號(hào)，B是主存的塊號(hào)，Cb是Cache的塊數(shù)。整個(gè)Cache地址與主存地址的低位部分完全相同。變換過(guò)程，如下圖。特點(diǎn)：硬件簡(jiǎn)單沖突概率高出現(xiàn)大量空閑塊很少使

6、用。塊0Cache塊1……塊Cb-1塊0……塊Cb-1主存儲(chǔ)器直接相聯(lián)映象方式塊Cb……塊2Cb-1塊Mb-Cb……塊Mb-1……區(qū)0區(qū)1區(qū)Me-1地址變換過(guò)程用主存地址中的塊號(hào)B去訪問(wèn)區(qū)號(hào)存儲(chǔ)器把讀出來(lái)的區(qū)號(hào)與主存地址中的區(qū)號(hào)E進(jìn)行比較比較結(jié)果相等,且有效位為1,則Cache命中比較結(jié)果相等,有效位為0,表示Cache中的這一塊已經(jīng)作廢比較結(jié)果不相等,有效位為0,表示Cache中的這一塊是空的比較結(jié)果不相等,有效位為1,表示原來(lái)在Cache中的這一塊是有用的有效位區(qū)號(hào)E塊內(nèi)地址w1主存地址區(qū)表存儲(chǔ)器區(qū)號(hào)E(按地址訪問(wèn))E塊號(hào)b塊內(nèi)地址w命中Cache地址塊號(hào)B相等比較塊失效

7、比較相等且有效位為1，訪問(wèn)Cache提高Cache速度的一種方法：把區(qū)號(hào)存儲(chǔ)器與Cache合并成一個(gè)存儲(chǔ)器直接映象方法的主要優(yōu)點(diǎn)：硬件實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單,不需要相聯(lián)訪問(wèn)存儲(chǔ)器訪問(wèn)速度也比較快,實(shí)際上不做地址變換直接映象方式的主要缺點(diǎn):塊的沖突率較高有效位區(qū)號(hào)E塊內(nèi)地址w1按地址訪問(wèn)的Cache區(qū)號(hào)E塊號(hào)b塊內(nèi)地址w相等塊號(hào)B相等比較訪主存數(shù)據(jù)0D0數(shù)據(jù)1D1…………數(shù)據(jù)w-1Dw-11/w…送CPU組相聯(lián)映像與變換定義及規(guī)則：各組之間是直接映象，組內(nèi)各塊間是全相聯(lián)映象。變換過(guò)程，如