Cache一致性问题分析.ppt

Cache一致性问题分析与解决计科071殷成芳文德春2010年10月20日

一、高速缓存的概念及其他相关概念的介绍（单处理器环境下）；二、并行系统中的高速缓存一致性问题和解决方法；三、其他相关、相近概念和内容；四、小结。一、高速缓存的概念及其他相关概念的介绍（单处理器环境下）1-1、局部性现象和局部性定义1-2、高速缓存定义1-3、高速缓存Cache的出现基于的因素1-4、高速缓存的组成结构1-5、高速缓存（Cache）的基本原理1-6、替换算法

*高速缓存（Cache）技术的发明和使用是计算机科学发展史的重大发展，对于提高计算机系统性能起到了重要的作用。“没有高速缓存的586计算机性能比不上有高缓存的486计算机”这种说法可能只是一种理论分析后的简单比较，缺乏证据和说服力。但是PentiumII（奔腾二代）300CPU与Celeron（赛扬）处理器的根本差别就是CeleronCPU中没有高速缓存，其性能的差别是显而易见的（当然从价格上，CeleronCPU的价格也比同等PentiumIICPU的价格低得多）。事实证明，Intel的CeleronCPU是一个不成功低端策略。在此后的Celeron300ACPU中，就重新加入了高速缓存，实际测试的结果，Celeron300A的性能有了大幅度的提高。性能提高的基础和前提是正确性，由于高速缓存本身的特点，存在产生错误的因素，即一致性题，所以只有解决了高速缓存的一致性问题，才能发挥高速缓存的作用，这将是本文关注的重点。为此，我们通过以下三个方面了解Cache及Cache的一致性问题。1-1、局部性现象和局部性定义高速缓存的提高系统性能是利用了局部性现象，这里首先对局部性现象和局部性定义加以说明：对于大量典型程序的运行情况分析结构表明，在一个较短的时间间隔内，地址往往集中在存储器逻辑空间的很小范围内。程序地址的分布本来就是连续的，在加上循环程序段和子程序段要重复执行多次，因此，对程序地址的访问就很自然地具有相对集中的倾向。数据分布的这种集中的倾向不如指令明显，但对数组的存储和访问以及工作单元的选择都可以使存储器地址相对集中。这种对局部范围的存储器地址的频繁访问，而对此范围以外的地址则访问甚少的现象就称为程序访问的局部性。1-2、高速缓存定义那么什么是高速缓存、它具有什么特点，如何发挥作用呢？高速缓存的定义如下：根据局部性原理，可以在主存和CPU之间设置一个高速的、容量相对较小的存储器，如果当前正在执行的程序和数据存放在这个存储器中，在程序运行时，不必从主存储器取指令和取数据，只要访问这个高速存储器即可，所以提高了程序运行速度，这个存储器称作高速缓冲存储器（Cache：英文原意为“藏东西的地方”）。高速缓存存储器介于CPU和主存之间，它的工作速度数倍于主存，全部功能由硬件实现，并且对程序员而言是透明的。1-3.高速缓存Cache的出现基于的因素Cache的出现是基于两种因素：首先，是由于CPU的速度和性能提高很快而主存速度较低且价格高，第二就是程序执行的局部性特点。因此，才将速度比较快而容量有限的SRAM构成Cache，目的在于尽可能发挥CPU的高速度。很显然，要尽可能发挥CPU的高速度就必须用硬件实现其全部功能。

Cache与主存之间可采取多种地址映射方式，直接映射方式是其中的一种。在这种映射方式下，主存中的每一页只能复制到某一固定的Cache页中。由于Cache块(页)的大小为16B，而Cache容量为16KB。因此，此Cache可分为1024页。可以看到，Cache的页内地址只需4位即可表示；而Cache的页号需用10位二进制数来表示；在映射时，是将主存地址直接复制，现主存地址为1234E8F8(十六进制)，则最低4位为Cache的页内地址，即1000，中间10位为Cache的页号，即1010001111。Cache的容量为16KB决定用这14位编码即可表示。题中所需求的Cache的地址为10100011111000。Cache中的内容随命中率的降低需要经常替换