计算机组成原理考研知识点汇总

(七) 高速缓冲存储器(Cache实际上,这是来自法文的一个单词,意思是隐蔽之所或藏东西的地方) 概述

1. 问题的提出

避免 CPU “空等” 现象 CPU 和主存(DRAM)的速度差异

1. 程序访问的局部性

从大量的统计中得到的一个规律是,程序中对于存储空间90%的访问局限于存储空间的10%的区域中,而另外10%的访问则分布在存储空间的其余90%的区域中.这就是通常说的局部性原理.访存的局部性规律包括两个方面:

时间局部性:如果一个存储项被访问,则可能该项会很快被再次访问.

空间局部性:如果一个存储项被访问,则该项及其邻近的项也可能很快被访问. 2. Cache的基本工作原理

Cache通常由两部分组成,块表和快速存储器.其工作原理是:处理机按主存地址访问存储器,存储器地址的高段通过主存-Cache地址映象机构借助查表判定该地址的存储单元是否在Cache中,如果在,则Cache命中,按Cache地址访问Cache.否则,Cache不命中,则需要访问主存,并从主存中调入相应数据块到Cache中,若Cache中已写满,则要按某种算法将Cache中的某一块替换出去,并修改有关的地址映象关系.

从这个工作原理我们可以看出,它已经涉及到了两个问题.首先是定位,然后是替换的问题.

Cache的存在对程序员是透明的.其地址变换和数据块的替换算法均由硬件实现.通常Cache被集成到CPU内以提高访问速度.

3. Cache和主存之间的映射方式

因为处理机访问都是按主存地址访问的,而Cache的空间远小于主存,如何知道这一次的访问内容是不是在Cache中,在Cache中的哪一个位置呢? 这就需要地址映象,即把主存中的地址映射成Cache中的地址.让Cache中一个存储块(空间)与主存中若干块相对应,如此,访问一个主存地址时,就可以对应地知道在cache中哪一个地址了.地址映象的方法有三种:直接映象,全相联映象和组相联映象.

直接映象就是将主存地址映象到Cache中的一个指定地址.任何时候,主存中存储单元的数据只能调入到Cache

中的一个位置,这是固定的,若这个位置已有数据,则产生冲突,原来的块将无条件地被替换出去.

全相联映象就是任何主存地址可映象到任何Cache地址的方式.在这种方式下,主存中存储单元的数据可调入到Cache中的任意位置.只有在Cache中的块全部装满后才会出现块冲突.

组相联映象指的是将存储空间的页面分成若干组,各组之间的直接映象,而组内各块之间则是全相联映象. 4. Cache中主存块的替换算法

在直接映象方式下,不存在块替换的算法,因为每一块的位置映象是固定的,需要哪一块数据就可直接确定地将该块数据调入上层确定位置.而其他两种映象就存在替换策略的问题,就是要选择替换到哪一个Cache块.即替换算法.

思想 优点 缺点 随机算法用软的或硬的随机数产生器产没有利用上层存储器使用的\历史信息简单,易于实现 RAND 生上层中要被替换的页号 \没有反映等程序局部性,命中率低. 先进先出选择最早装入上层的页作为被实现方便,利用了主存历不能正确反映程序局部性原理,命中率FIFO 替换的页 史的信息 不高,可能出现一种异常现象. 比较正确反映程序局部近期最少选择近期最少访问的页作为被性,利用访存的历史信实现较复杂 使用法LRU 替换的页 息,命中率较高 优化替换命中率最高,可作为衡量将未来近期不用的页换出去 不现实,只是一种理想算法 算法OPT 其他替换算法的标准 5. Cache写策略 对Cache的写操作,情况比读操作要复杂一些.由于写入Cache时,并没有写入主存,因此就出现Cache和主存数据不一致的情况.如何处理Cache和主存不一致的方法就称为更新策略. 更新策略 思想 优点 缺点 是指在CPU执行写操作时,信息只写入有利于省去许多将Cache中,仅当需要替换时,才将改写过的需设修改位增加Cache的写回法 中间结果写入主存Cache块先送回主存(写回),然后再调块复杂性 的无谓开销. (设置dirty位) 在写操作时,将数据同时写入Cache和主为了写中间结果浪费了全写法(写直达法) 实现开销小,简单 存 不少时间