CACHE 和虚拟存储器.pptVIP

* 3.5 高速缓冲存储器 3.5.1 高速缓冲存储器的工作原理 3.5.2 地址映像与变换方法 3.5.3 替换策略 3.5.4 Cache的写操作策略 退出 3.5.1 高速缓冲存储器的工作原理 　　高速缓冲存储器可以提高CPU访问存储器时的存取速度，减少处理器的等待时间，使程序员能使用一个速度与CPU相当而容量与主存相当的存储器。所以，这种方法对提高整个处理器的性能将起到非常重要的作用，比使全部主存都达到与CPU同样的速度要经济的多。 Cache的全部功能由硬件实现，并且对程序员来说是“透明”的，程序员不需要明确知道高速缓冲存储器的存在。Cache的存在，使得程序员面对一个既有Cache速度，又有主存容量的存储系统。CPU不仅和与Cache相连，而且和主存之间也要保持通路。 Cache和主存与CPU的关系 如右图所示。 1、程序局部性原理 　　对大量典型程序运行情况的分析结果表明，在一个较短的时间内，由程序使用的地址往往集中在存储器逻辑地址空间的很小范围内。这种在一个较小时间间隔内，程序所要用到的指令或数据的地址往往集中在一个局部区域内，因而对局部范围内的存储器地址频繁访问，而对此范围外的地址则访问甚少的现象称为程序访问的局部性原理。 如果把正在执行的指令地址附近的一小部分指令或数据，即当前最活跃的程序或数据从主存成批调入Cache，供CPU在一段时间内随时使用，就一定能大大减少CPU访问主存的次数，从而加速程序的运行。 2、Cache工作原理 　　在Cache存储系统中，把Cache和主存储器都划分成相同大小的块，因此，主存地址由块号B和块内地址W两部分组成。同样，Cache的地址也由块号b和块内地址w组成。 Cache的基本工作原理如右图所示。 4.5.2 地址映像与变换方法 　　全相联映像方式是指主存中的任意一块可以映像到Cache中的任意一块中，如右图所示。 如果Cache的块数为Cb，图中相联映像方式? 主存的块数为Mb，则主存与Cache之间的映像关系共有Cb×Mb种。 采用全相联映像方式的地址变换过程如下图所示 1、全相联映像方式及地址变换 3.5.2 地址映像与变换方法 　　直接映像方式是一种最简单的方法。主存中的一块只能映像到Cache中的一个确定块中。假设主存的块号为B，Cache的块号为b，则它们之间的映像关系可以表示为： h＝B mod Cb 其中，Cb是Cache的块数。 直接映像方法的映像关系如右图所示。其中Mb是主存中的块数，Me是主存中的区数。 直接映像方式的地址变换过程如下图所示 2、直接映像方式及地址变换 3.5.2 地址映像与变换方法 　　组相联方式是目前在Cache中用得比较多的一种地址映像和变换方式，实际上，它是介于全相联和直接相联之间的一种折中方案。首先将主存以Cache为单位划分若干区，然后每一个区再划分为同样大小的若干组，例如，假设主存有64块，Cache有8块，2块为一组，则主存要划分8个区，每一个区划分为4组，而Cache划分为4组，组间采用直接映像方式，组内采用全相联映像。其映像方式如右图所示。 组相联映像方式的地址变换过程如下图所示。 3、组相联映像方式及地址变换 3.5.3 替换策略 　　Cache的工作原理要求它尽量保存必威体育精装版数据。当一个新的主存块需要拷贝到Cache，而允许存放此块的位置都被其他主存块占满时，就要产生替换。 替换问题与Cache的组织方式紧密相关。对直接映射的Cache来说，因一个主存块只有—个特定的块可以存放，所以问题解决起来很简单，只要把此特定位置上的原主存块换成此Cache块即可．对全相联和组相联Cache来说，就要从允许存放新主存块的若干特定块中选取一块换出，如何选取就涉及到替换策略，也称替换算法。 3.5.3 替换策略 　　替换算法很多，一个好的算法首先要看访问cache的命中率如何，其次要看是否容易实现。替换算法的目标是使Cache获得最高的命中率，就是让Cache中总是保持着使用频率高的数据，从而使CPU访问Cache的成功率最高。替换算法主要有4个： （1）随机替换算法：这是一种最简单的替换算法。当需要找替换的信息块时．它是用随机数发生器产生一个随机数，它就是被替换的块号。由于这种算法完全不反映程序的局部性特点，没有考虑信息块的历史情况和使用情况，故其命中率很低，已无人使用。 3.5.3 替换策略 　　（2）先进先出算法（FIFO）：这种算法是把最早进入Cache的信息块给替换掉。为了实现这种算法，需要在地址变换表中设置一个历史位，每当有一个新块调入Cache时，就将已进入Cache的所有信息块的历史位加1。于是当需要进行替换时，只要挑选历史位中数值最大的信息块作为被替换