计算机组成原理（2）-cache高速缓存存储器

傷城~ 2022-05-16 11:48 272阅读 0赞

**cache-高速缓存存储器**

在主存与CPU之间插入一级或多级SRAM组成的高速缓存存储器。扩展cache有限，因为SRAM价格昂贵。

cache作用：为了解决CPU和主存之间速度不匹配而采用的一项重要技术。

cache特性：具有空间局部性以及时间局部性。

cache的组成：SRAM和控制逻辑。如果cache在CPU芯片外，它的控制逻辑一般和主存控制逻辑合成在一起，称主存/cache控制器。若cache在CPU内，则由CPU提供它的控制逻辑。

CPU与cache之间的数据交换是以字为单位，而cache与主存之间的数据交换是以块为单位。一个块由若干字组成，是定长的。

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**cache原理图**

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**cache的命中率：**为了使主存的平均读出时间尽可能接近cache的读出时间，cache命中率应接近于1.

**地址映射**

含义：为了把主存块放到cache中，必须应用某种方法把主存地址定位到cache中，称作地址映射。

地址映射方式：全相联映射方式、直接映射方式和组相联映射方式。

**全相联映射方式**

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**小结：**

（1）在全相联cache中，全部标记用一个相联存储器来实现，全部数据用一个普通RAM来实现。

（2）优点”冲突率小，cache利用率高

（3）缺点：比较器难于设计与实现

（4）只适用小容量cache。

**直接映射方式**

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**小结：**

（1）优点：硬件简单，成本低。

（2）缺点：每个主存块只有一个固定得行位置可存放。

（3）发生冲突率大。（如果块号相距m整数倍得两个块存于同一cache行时）

（4）适合大容量cache.

**组相联映射方式**

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**小结：**

适度兼顾了“全相联映射方式”和“直接映射方式”的优点以及尽量避免两者的缺点。

**替换策略**

含义：当一个新的主存块需要拷贝到cache，而允许存放块的行位置都被其他主存占满时，就要产生替换。

适合的地址映射方式：全相联映射方式和组相联映射方式

**（1）最不经常使用（LFU）算法**

含义：将一段时间内被访问次数最少的那行数据换出。每行设置一个计数器，从0开始计数，每次访问某一行时被访问的计数器增1.当需要替换时，将计数值最小的行换出，同时将这些行的计数器全部清零。

特点：这种算法将计数周期限定在对这些定行两次替换之间的间隔时间内（即替换一次，计数器清零一次），不能严格反映近期访问情况。

**（2）近期最少使用（LRU）算法**

含义：将近期内长久未被访问过的换出。每行设置一个计数器，Cache每命中一次，命中行计数器清零，其他各行计数器增1.当需要替换时，将计数值最大的行换出。

特点：这种算法保护了刚拷贝到cache中的新数据行，有较高的命中率。

**（3）随机替换**

含义：从cache的行位置中随机地选取一行换出。

特点：在硬件上容易实现，且速度也比那几种策略快。但可能降低cache命中率和工作效率。

**（4）先入先出（FIFO）算法**

含义：总是将最先调入的cache的内容替换出来，不需要随时记录各字块的使用情况。

特点：容易实现，电路简单。但是可能会把一些经常使用的程序（如循环程序）也作为最早的cache块而替换出去。

**cache的写回操作策略**

含义：CPU对Cache的写入更改了Cache的内容。当被更改了内容的Cache块被替换出Cache时，选用写回操作替换策略使Cache内容和主存内容保持一致。

**（1）写回法**

当CPU写Cache命中时，只修改Cache的内容，而不立即写入主存；只有当此行被替换出时才写回主存。

优点：减少了访问主存的次数。

缺点：存在不一致性的隐患。

解决问题：每个Cache行必须配置一个修改位，以反映此行是否被CPU修改过。

**（2）全写法**

当CPU写Cache命中时，Cache与主存同时发生写修改。因而较好地维护了Cache与主存内容的一致性。当CPU写Cache未命中时，直接向主存进行写入。

优点：Cache中每行无需设置一个修改位以及相应的判断逻辑。

缺点：cache对CPU向主存的写操作无高速缓冲功能，降低了Cache的功效。

**（3）写一次法**

基于写回法并结合全写法的写策略，写命中与写未命中的处理方法与写回法基本相同，只是第一次写命中时要同时写入主存（全写法）。

优点：便于维护系统全部Cache的一致性。

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