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🔥 系列专栏：计算机组成与原理基础
- 🛰️1 Cache概述
- 🛩️1.1 局部性原理
- 🛫1.1.1 空间局部性
- 🛫1.1.2 时间局部性
- 🛩️1.2 性能指标
- 🛫1.2.1 解释
- 🛫1.2.2 例题
- 🛫1.2.3 待解决的问题
- 🛩️1.3 知识总结
- 🛰️2 Cache与主存的映射
- 🪂2.1 知识总览
- 🪂2.2 全相联映射（随便放）
- 🛸2.2.1 要点
- 🛸2.2.2 CPU访问主存
- 🪂2.3 直接映射（只可以放在固定位置）
- 🛸2.3.1 要点
- 🛸2.3.2 改进
- 🛸2.3.3 缺点
- 🛸2.3.4 CPU访存
- 🪂2.4 组相联映射（可放到特定分组）
- 🛸2.4.1 要点
- 🛸2.4.2 CPU的访存
- 🪂2.5 总结
- 🛰️3 Cache替换算法
- 🚀3.1 总览
- 🚀3.2 随机算法（RAND）
- ✈️3.2.1 解释
- ✈️3.2.2 缺点
- ✈️3.2.3 优点
- ✈️3.2.4 示例
- 🚀3.3 先进先出（FIFO）
- ✈️3.3.1 解释
- ✈️3.3.2 实例
- ✈️3.3.3 优点
- ✈️3.3.4 缺点
- 🚀3.4 近期最少使用算法（LRU）
- ✈️3.4.1 解释
- ✈️3.4.2 实例
- 🚀3.5 最不经常使用算法（LFU）
- ✈️3.5.1 解释
- ✈️3.5.2 实例
- ✈️3.5.3 缺点
- 🚀3.6 总结
- 🛰️4 Cache写策略
- 🚁4.1 总览
- 🚁4.2 写命中
- 4.2.1 写回法
- 4.2.2 全写法
- 🚁4.3 写不命中
- 🚟4.3.1 解释
- 🚟4.3.2 写分配法
- 🚟4.3.3 非写分配法
- 🚁4.4 多级Cache
- 🚟4.4.1 解释
- 🚟4.4.2 注意
- 🚁4.5 总结
- 🛰️5 总结
🛰️1 Cache概述
🛩️1.1 局部性原理
🛫1.1.1 空间局部性
（1）解释
（2）说明
比如说一个数组，当我们访问a[0][0]时，其接下来的a[0][1]、a[0][2]也很有可能被接着访问，这就是局部性原理
而对于指令也是一样，一个程序中的指令通常是被顺序存放的，CPU访问了一条指令后，对于其周围的指令是很有可能接着去访问的
🛫1.1.2 时间局部性
（1）解释
（2）说明
对于一条循环指令来说（for(int i=1,i<10,i++))，i=1的加法，在未来的i=2的时候也要用到。这就是时间局部性
3. 基于局部性原理，可以将CPU目前访问的地址“周围”的部分数据放进Cache中，这样可以大幅提升CPU的运行速度
🛩️1.2 性能指标
🛫1.2.1 解释
上述的命中率是CPU分别在Cache、主存中找数据的情况，CPU也可以同时在Cache、主存中寻找数据，此时的平均访问时间就是
🛫1.2.2 例题
🛫1.2.3 待解决的问题
Cache是取目前访问的地址的“周围”的数据，那么如何界定周围？
注意：
🛩️1.3 知识总结
🛰️2 Cache与主存的映射
🪂2.1 知识总览
解决Cache与主存的数据块的对应关系的问题
🪂2.2 全相联映射（随便放）
🛸2.2.1 要点
（1）主存块可以放在Cache的任何一块上
（2）Cache中的每块都设置了一个标记位记录该主存块的地址，对于未存放数据的Cache块标记位已全0展示
（3）但是地址位为全0的主存块实际上是有资源的，所以还需要设置一个有效位（1代表有数据，0代表无数据）
🛸2.2.2 CPU访问主存
（1）前提：主存地址空间为256MB，每块行长为64kb，则：
假设CPU访问地址为：1…1101 001110
🪂2.3 直接映射（只可以放在固定位置）
🛸2.3.1 要点
（1）使主存地址对Cache内存块个数取余，得到的数字就是该主存块应该存放的Cache块编号
（2）设置了标记位与有效位，与全相联映射一致。
🛸2.3.2 改进
考虑到该方法需要将主存地址对Cache总块数取余，即地址的后三位实际上对应的是Cache块的编号，那么在Cache的标记位上，可以直接截取主存地址的前19位，因为后3位分别为000-111。
🛸2.3.3 缺点
对于一个特定的主存块来说，假如其对应的Cache内存块没有空间，那么即使其他Cache块有空间，该主存块也不可以放到有空间的Cache块中去。
🛸2.3.4 CPU访存
🪂2.4 组相联映射（可放到特定分组）
🛸2.4.1 要点
（1）将Cache块分组，主存块需要对组数进行取余，根据结果决定改主存块要放在那个Cache块组中。
（2）设定标记位与有效位
（3）标记位的改进方法与直接映射类似，对于一个块数为8的Cache，对地址位为22位的主存地址只需要保存前20位就可以了。（222/22）
🛸2.4.2 CPU的访存
🪂2.5 总结
🛰️3 Cache替换算法
🚀3.1 总览
🚀3.2 随机算法（RAND）
✈️3.2.1 解释
✈️3.2.2 缺点
✈️3.2.3 优点
实现简单，原理简单
✈️3.2.4 示例
注意：当CPU在Cache中未访问到目标数据而去主存寻找时，找到的数据要立即放入Cache中去
🚀3.3 先进先出（FIFO）
✈️3.3.1 解释
✈️3.3.2 实例
✈️3.3.3 优点
✈️3.3.4 缺点
且容易出现抖动现象
🚀3.4 近期最少使用算法（LRU）
✈️3.4.1 解释
对于第一条，我们当然也可以使其加1，但是不加1其实也可以达到效果。
✈️3.4.2 实例
🚀3.5 最不经常使用算法（LFU）
✈️3.5.1 解释
✈️3.5.2 实例
✈️3.5.3 缺点
🚀3.6 总结
LRU的Cache的命中率最大，效果最好
🛰️4 Cache写策略
🚁4.1 总览
🚁4.2 写命中
解释
CPU要对一个地址进行写操作，而且这个地址已经被调入了Cache，发生了命中的情况
4.2.1 写回法
- 解释
这样做避免了每次写都将数据写回主存，节省了一些写的时间
- 注意
为了让CPU知道Cache是否发生了写操作，还需要对每个Cache块增加一个“脏位”，该位数值为1代表已经修改，为0代表没有修改
- 示意图
缺点
存在数据不一致的隐患
4.2.2 全写法
- 解释
- 注意
为了增加CPU将数据写入主存的速度，可以增加一个由SRAM（速度较快）实现的缓冲队列，CPU先将数据放入缓冲队列，当CPU暂时不再进行写操作时，缓冲队列在专门的控制电路下将数据写入主存
- 示意图
- 缺点
🚁4.3 写不命中
🚟4.3.1 解释
当CPU需要对一个地址进行写操作，且这个数据不在Cache中的时候，CPU回将数据调入Cache中
🚟4.3.2 写分配法
-
解释
-
示意图
🚟4.3.3 非写分配法
-
解释
-
也就是说，当不命中时，CPU对某个地址进行写操作时不讲数据调入Cache，只有在进行读操作时才将数据调入Cache。因为具备全写法中直接对主存进行修改的特性，所以通常搭配全写法使用
-
示意图
🚁4.4 多级Cache
🚟4.4.1 解释
🚟4.4.2 注意
低级Cache中保存的是主存的副本，而高级Cache保存的是低级Cache的副本，所以多级Cache中也存在数据同步的问题。一般来说：
🚁4.5 总结
🛰️5 总结
计算机组成原理如一座精密的交响乐团，微观中展现着电子的舞蹈，宏观中奏响着科技的交响曲。
它拆解复杂问题为简单指令，通过微处理器的默契协作，创造出无尽可能。
存储单元如记忆的灯塔，指引信息的航程。
总线是信息的大道，连接着各个功能模块，使计算机成为无比高效的智慧之器。
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