****** 三十四 ******、软设笔记【存储器系统】-Cache存储器
Cache存储器
Cache(高速缓冲存储器)
高速缓冲存储器是位于主存与CPU之间的一级存储器,有静态存储芯片(SRAM)组成,容量比较小,速度比主存高得多,接近于CPU的速度,单位成本比内存高。Cache存储了频繁访问内存的数据。
(1)Cache原理、命中率、失效率
使用Cache改善系统性能的主要依据是程序的局部性原理。
命中率、失效率
Cache的访问命中率为h(通常1-h就是Cache的失效率),Cache的访问周期时间是t1,主存储器的访问周期时间是t2,则整个系统的平均访存时间就是:t3 = h x t1 + (1-h) x t2
(2)Cache存储器的映射机制
分配给Cache的地址存放在一个相联存储器(CAM)中。CPU发生访存请求时,会先让CAM判断所要访问的数据是否在Cache中,如果命中就是直接使用。这个判断的过程就是Cache地址映射,这个速度应该尽可能快。
常见的映射方法有:
*直接映射
*全相联映射
*组相联映射
1.直接映射
是一种多对一的映射关系,但一个主存块只能够复制到Cache的一个特定位置上去。
Cache的行号i和主存的块号j有函数关系:
i = j % m (其中m为Cache总行数)
2.全相联映射
将主存中任一主存块能映射到Cache中任意行(主存块的容量等于Cache行容量)。
根据主存地址不能直接提取Cache页号,而是需要将主存块标记与Cache各页的标记逐个比较,知道找到比较符合的页(访问Cache命中),或者全部比较完后仍无符合的标记(访问Cache失败)
主存块标记与Cache各页的标记逐个比较,所以这种映射方式速度很慢,失掉了高速缓冲的作用,这是全相联映射方式的最大缺点。如果让主页标记与各cache标记同时比较,则成本太高。
3.组相联映射
是前两种方式的择中方案。它将Cache中的块再分成组,各组之间是直接映像,而组内各块之间则是全相联映像。
主存地址 = 区号 + 组号 + 组内块号 + 块内地址号
(3)Cache淘汰算法
当Cache数据已满,并且出现未命中情况时,就要淘汰一些老的数据,更新一些新的数据进入Cache。选择淘汰哪些数据的方法就是淘汰算法。常见的方法有三种:
*随机淘汰算法
*先进先出淘汰算法(FIFO)
*最近最少使用淘汰算法(LRU)
其中平均命中率最高的是LRU算法
(4)Cache存储器的写操作
在使用Cache时,需要保证其数据与主存一致,因此在写Cache时就要考虑与主存间的同步问题,通常使用以下三种方法:
*写直达:当Cache写命中时,Cache与主存同时发生写修改
*写回:当CPU对Cache写命中时,只修改Cache的内容而不立即写入主存,当此行被换出才写回主存。
*标记法:数据进入Cache后,有效位置1;当CPU对该数据修改时,数据只写入主存并将该有效位置0。当要从Cache中读取数据时要测试其有效为,若为1则直接从Cache中取数,否则从主存中取数。
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