《组成原理》13章.ppt

3.6 Cache存储器 一 Cache 概述 1 Cache的功能 解决CPU和主存之间的速度不匹配问题 2 Cache的理论依据 程序的局部性原理 CPU对主存中的指令和数据的访问，在一小段时间内，总是集中在一小块存储空间里 时间方面：最近被访问过的指令和数据很可能被再次访问 空间方面：最近访问过的指令和数据往往集中在一小片存储区域中。 二 Cache 的结构及工作过程 CPU Cache 主存 相联存储表 LRU 管理逻辑 地址总线 数据总线 命中率 Cache/主存系统的平均访问时间 访问效率 Cache与内存的速度比 Cache的性能指标 三 主存与Cache的地址映射 地址映射 将主存地址定位到Cache中 衡量映射方式优劣的几个方面 硬件是否容易实现 地址变换的速度是否快 Cache空间的利用率是否高 主存装入Cache时，发生冲突的概率是否小 三 主存与Cache的地址映射 全相联映射 Cache Tag(8位) 行号 M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 主存 … 块号 H0 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H255 H254 H7 全相联Cache的检索过程 三 主存与Cache的地址映射 全相联映射 映射方法：多对多 优点：冲突概率小，Cache的利用高 缺点：硬件难实现，且需要一个访问速度很快、成本高的相联存储器 适用场合：小容量Cache 三 主存与Cache的地址映射 2 直接映射 映射方法：一对多 (式3.1) 其中 i 为Cache中的行号 j 为主存中的块号 m 为Cache中的总行数 Cache Tag(5位) 行号 M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 主存 … 块号 H0 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H255 H254 H7 H8 H9 H10 图3-2 直接映射方式示意图 直接映射Cache的检索过程 三 主存与Cache的地址映射 2 直接映射 映射方法：一对多 优点：硬件实现简单，Cache地址为主存地址的低几位 ，不需变换 缺点：冲突概率高，且Cache空间利用率不高 适用场合：大容量Cache 三 主存与Cache的地址映射 3 组相联映射 映射方法：一组对多 (式3.2) 其中 u 为Cache中的组数 v 为每组中的行数 (式3.3) q 为主存地址对应的Cache中的组号 组间采用直接映射方式，组内采用全相联映射方式 Cache Tag(6位) 主存 … 块号 H0 H1 H2 H3 H4 H5 H6 H255 H254 H7 H8 H9 图3-3 组相联映射方式示意图 组号 V0 V1 V2 V3 组相联Cache的检索过程 三 主存与Cache的地址映射 3 组相联映射 映射方法：一组对多 优点：综合前两者的优点又尽量避免二者的缺点，故被普遍采用 四 Cache的替换策略 1. 从特定的行位置中随机地选取一行换出即可 2. 硬件易实现，速度快；但命中率和工作效率在小容量Cache中不高。 1. 被访问的行计数器增加1，值最小的行被换出 2. 不能反映近期cache的访问情况 1. 被访问的行计数器置0，其他的计数器增加1，换值最大的行 2. 符合cache的工作原理 五 Cache的写操作策略 1. 平时的写操作都在Cache中进行，仅在Cache的内容被换出时，才根据此行修改位的值来决定是否写回主存 2. 可以显著减少写主存的次数，但存在数据不一致的隐患 1. 同时写到主存和Cache 2. 无需设置修改位和判断逻辑，但降低了Cache的效率 1. 第一次写命中，采用全写法；其它情况都采用写回法 2. 综合了前两种写操作策略的优点 六 Cache的实例 Pentium 4 的Cache组织 L1 I-Cache L1 D-Cache L2 Cache L3 Cache CPU 3.7 虚拟存储器 一 基本概念 1. 实地址（物理地址） 物理内存的访问地址 对应的存储空间称为物理存储空间或主存空间 2. 虚地址（逻辑地址） 用户编制程序时使用的地址 对应的存储空间称为虚存空间或逻辑地址空间 3. 程序的再定位 程序进行虚地址到实地址转换的过程 二 Cache与虚拟存储器的异同 Cache 虚拟存储器 相同点 出发点 原理 为了