第4篇存储系统-2.ppt

4.3 高速缓冲存储器(Cache) 4.3.1 基本结构 4.3.2 地址的映象与变换 4.3.3 替换算法的实现 4.3.4 Cache的透明性及性能分析 4.3.5 “Cache—主存—辅存”存储层次 附加: Cache 存储系统和虚拟存储系统的对比 例题分析 从主存到Cache… … 4.3.2 地址的映象与变换 地址映象： 把存放在主存中的程序按照某种规则装入到Cache中，并建立主存地址与Cache地址之间的对应关系。 地址变换： 当程序已经装入到Cache之后，在实际运行过程中，把主存地址变换成Cache地址。 在选取地址映象方法要考虑的主要因素： 地址变换的硬件要容易实现；地址变换的速度要快；主存空间利用率要高；发生块冲突的概率要小。 1、全相联映象和变换 映象规则：主存中的任意一块都可以映象到Cache中的任意一块。 如果Cache的块数为Cb，主存的块数为Mb，映象关系共有：Cb×Mb种。 用硬件实现非常复杂。 在虚拟存储器中，全部用软件实现。 全相联映象方式的主要优点：块冲突概率比较小。Cache的利用率高。 全相联映象方式的主要缺点: 需要一个相联存储器，其代价很高。相联比较所花费的时间将影响Cache的访问速度。 2、直接映象及其变换 映象规则：主存中一块只能映象到Cache的一个特定的块中。 计算公式：b＝B mod Cb，其中： b为Cache的块号， B是主存的块号， Cb是Cache的块数。 整个Cache地址与主存地址的低位部分完全相同。 地址变换过程： 用主存地址中的块号B去访问区号存储器； 把读出来的区号与主存地址中的区号E进行比较； 比较结果相等, 则Cache命中。 直接映象方式的主要优点：硬件实现很简单, 不需要相联访问存储器。访问速度也比较快, 实际上不做地址变换。 直接映象方式的主要缺点: 块的冲突率较高。 3、组相联映象及其变换 组相联映像实际上是全相联映像和直接映像的折衷方案，所以其优点和缺点介于全相联和直接映像方式的优缺点之间。 映象规则： 主存和Cache按同样大小划分成块，还按同样大小划分成组。 从主存的组到Cache的组之间采用直接映象方式。 在两个对应的组内部采用全相联映象方式。 例： 主存分成2区，每区4组，每组2块；Cache分为4组，每组2块。主存的第9块将映像到Cache的第0或1块的位置上。 组相联映象方式的优点： 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。 组相联映象方式的缺点： 实现难度和造价要比直接映象方式高。 地址变换过程： 用主存地址的组号G按地址访问块表存储器。 把读出来的一组区号和块号与主存地址中的区号和块号进行相联比较，如果有相等的，表示Cache命中；如果没有相等的，表示Cache没有命中。 通常，Cache存储器的地址映像规则使用组相联或直接映像，而不采用全相联映像。否则，主存?Cache的地址映像表太大，查表速度太慢，硬件无法实现。 组相联映像中的Cache地址和主存地址 假设Cache空间和主存空间都分成组，每组为S块（S=2s），整个Cache是一个区，被分成Q组（Q=2q）。主存地址分为四部分：区号、组号、组内块号、块内地址；Cache地址分为三部分：组号、组内块号、块内地址。主存地址的组号、组内块号分别由q、s’位表示，它们的宽度和位置与Cache地址的q、s是一致的。 当组相联映像的S（S=2s ）值大到等于Cache的块数时就成了全相联映像，而当S值小到只有1块时就变成了直接映像。 Cache存储系统的更新算法：(1) 写直达法(写通过法), Write-through CPU在执行写操作时，把数据同时写入Cache和主存。 (2) 写回法 (抵触修改法)Write-Back CPU数据只写入Cache，不写入主存，仅当替换时，才把修改过的Cache块写回到主存。 写回法与写直达法的优缺点比较：(1) 可靠性，写直达法优于写回法。 (2) 与主存的通信量，写回法少于写直达法。 例如：写操作占总访存次数的20％, Cache命中率为99%, 每块4个字。当Cache发生块替换时, 有30%块需要写回主存, 其余的因未被修改过而不必写回主存。则对于WT法, 写主存次数占总访存次数的20%。 而WB法