计算机组成原理（笔记7高速缓冲存储器Cache，计算机组成原理的重难点全、直接、组相连）

news2024/10/20 20:58:57

为什么要设立高速缓冲存储器（Cache）？

Cache是介于CPU和主存之间的小容量存储器，存取速度比主存快。它能高速地向CPU提供指令和数据，加快程序的执行速度。它是为了解决CPU和主存之间速度不匹配而采用的一项重要技术。
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不过计算机本身是不知道自己是这样的执行，它只知道用

Cache工作原理

在计算机中，我们访问的速度快有个重要的原因，就是引入了cache
他提前，把主存的内容下载好，然后让我们快速访问，通常cache会比主存小很多
Cache与主存之间的数据交换是以块为单位
所为块，我们把主存和cache里面，我们分成一个一个的小房间，也就是块，这样你需要什么我们可以直接找到房间号，去拿出我们要的东西
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Cache的基本概念

命中 hit: CPU访问数据在cache中（上层存储器）
缺失 miss: CPU访问数据不在cache中
块 block: cache与主存交换最小单位
块大小多少合适？？？实现预读
行/槽 Line/Slot：标记、标志位、数据块容器
有效位、查找标记、脏标志位、置换标志、数据块副本
Cold Cache、Warm Cache

Cache的性能参数

如果考到以下的例题那就是送分题
Cache的命中率
增加cache的目的，就是在性能上使主存的平均访问时间尽可能接近Cache的访问时间。因此,Cache的命中率应接近于1。由于程序访问的局部性，这是可能的。在一个程序执行期间，设Nc表示Cache完成存取的总次数，Nm表示主存完成存取的总次数，h定义为命中率（Hit Ratio），则有
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平均访问时间（等效访问时间）ta
若tc表示命中时的Cache访问时间，tm表示未命中时的主存访问时间，1-h表示为缺失率（Miss Ratio），则Cache/主存系统的平均访问时间ta为：

访问效率
设立Cache/主存系统的目标，是以较小的硬件代价，使系统的平均访问时间ta越接近tc越好。设r=tm/tc表示主存慢于Cache的倍数,e表示访问效率，则有:
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由上式可以看出，为提高访问效率，命中率h越接近1越好，r值以5—10为宜，不宜太大。
命中率h与程序的行为、Cache的容量、组织方式、块的大小有关。

Cache读、写流程与关键技术

CPU给出主存地址（块地址，块内地址）
主存块地址为关键字进行查找
如相符表示副本在cache中，命中，访问cache
否则数据缺失，访问主存
将数据所在块副本调入cache（块交换—局部性）
载入副本过程可能引起替换
更新查找表，记录当前数据块地址
cache缺失时系统等待数据调入
CPU给出主存地址
主存块地址为关键字进行查找
相符则表示命中，数据副本在cache中
缺失根据写分配策略决定是否将该主存地址对应数据块调入
写入数据到cache
根据写策略决定是否写入主存

CPU cache基本组织方式

CPU cache由较快的SRAM构成
cache与主存均分为固定大小的数据块，以块为单位交换数据
相联存储器存放查找表
表项：(有效位，调入cache的主存块地址，cache块地址）
容量 = cache块数 * 表项大小
CPU给出的块地址与查找表中某单元相同且有效位为1表示命中
全相联：硬件多路并发比较可以提升查找速度

下图是块与块内地址
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重点

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全相联

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查找表和缓存副本一体（CPU片内缓存）
存放cache行
有效位，主存块地址，数据块副本，标志位（Dirty bit），置换标记
存储容量＝ cache行大小 × 行数

查找表和缓存副本分离（片内查找表，片外缓存）
存放查找信息
有效位，主存块地址， cache块地址，标志位（Dirty bit），置换标记
存储容量＝查找表表项大小 × 行数

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解释：根据上图，我们看到1F转换为二进制，就是000011111，至于为什么一共是9位，这是因为主存块的大小2的9次方