Cache基础知识试题.ppt

什么是cache Cache又叫高速缓冲存储器，位于CPU与内存之间，是一种特殊的存储器子系统。 目前比较常见的是两极cache结构，即cache系统由一级高速缓存L1 cache和二级高速缓存L2 cache组成，L1 cache通常又分为数据cache（I-Cache）和指令cache（D-Cache），它们分别用来存放数据和执行这些数据的指令。 Cache的作用是什么 Cache的工作原理 CPU运行程序是一条指令一条指令地执行的，而且指令地址往往是连续的，意思就是说CPU在访问内存时，在较短的一段时间内往往集中于某个局部，这时候可能会碰到一些需要反复调用的子程序。系统在工作时，把这些活跃的子程序存入比主存快得多的cache 中。 CPU在访问内存时，首先判断所要访问的内容是否在cache中，如果在，则称为命中（hit），此时CPU直接从cache中调用该内容；否则称为未命中（miss）， CPU会通过cache对主存中的相应内容进行操作。 Cache的地址映射方式 Cache与主存之间可以采取的地址映射方式有以下三种： 全相联映射方式 直接相联映射方式 组组相联映射方式 全相联方式 地址映射规则：主存的任意一块可以映射到cache中的任意一块 (1) 主存与cache分成相同大小的数据块。 (2) 主存的某一数据块可以装入cache的任意一块空间中。 优点：命中率比较高，cache存储空间利用率高。 缺点：访问相关存储器时，每次都要与全部内容比较，速度低，成本高，因而应用少。 直接相联方式 地址映射规则： 主存储器中一块只能映射到cache的一个特定的块中。 (1) 主存与cache分成相同大小的数据块。 (2) 主存容量应是cache容量的整数倍，将主存空间按cache的容量分成区，主存中每一区的块数与cache的总块数相等。 (3) 主存中某区的一块存入cache时只能存入缓存中块号相同的位置。 优点：地址映射方式简单，数据访问时，只需检查区号是否相等即可，因而可以得到比较快的访问速度，硬件设备简单。 缺点：替换操作频繁，命中率比较低。 组相联映射方式 地址映射规则： (1) 主存和cache按同样大小划分成块。 (2) 主存和cache按同样大小划分成组。 (3) 主存容量是cache容量的整数倍，将主存空间按cache区的大小分成区，主存中每一区的组数与cache的组数相同。 (4) 当主存的数据调入cache时，主存与cache的组号应相等，也就是各区中的某一块只能存入cache的同组号的空间内，但组内各块地址之间则可以任意存放， 即从主存的组到cache的组之间采用直接映射方式；在两个对应的组内部采用全相联映射方式。 优点：块的冲突概率比较低，块的利用率大幅度提高，块失效率明显降低。缺点：实现难度和造价要比直接映射方式高。 块:块是cache与主存的传输单位。 路（way）: 路是组相联映射方式的cache结构中的基本存储单位，每一路存储一个块的数据。 组（entry）:组是组相联映射方式的cache对块进行管理的单位。 区 （tag） :块的地址对应的主存储器中的区。 块内偏移地址（offset）: 用来标示块内一个字节的地址。 组相联映射方式下主存储器的地址空间由，区，组和块内偏移地址组成。 Cache的替换算法 Cache可以采用的替换算法主要有以下几种： 先入后出(FILO)算法 随机替换(RAND)算法 先入先出(FIFO)算法 近期最少使用(LRU)算法 随机(RAND)法是随机地确定替换的存储块。设置一个随机数产生器，依据所产生的随机数，确定替换块。这种方法简单、易于实现，但命中率比较低。 先进先出(FIFO)法是选择那个最先调入的那个块进行替换。当最先调入并被多次命中的块，很可能被优先替换，因而不符合局部性规律。这种方法的命中率比随机法好些，但还不满足要求。 近期最少使用(LRU)法是依据各块使用的情况，总是选择那个最近最少使用的块被替换。这种方法比较好地反映了程序局部性规律，命中率最高。 如何提高cache的性能 提高cache的性能也就是要降低主存的平均存取时间 主存平均存取时间=命中时间+未命中率*未命中惩罚 提高cache的性能有以下三种方法：减少命中时间，减少未命中率，减少未命中惩罚。 影响命中率的硬件因素主要有以下四点： Cache的容量。 Cache与主存储器交换信息的单位量（cache line size）。 Cache的组织方式 Cache的替换算法 Cache的一致性问题 写直达法（write through）