组成原理（五）：缓存，辅存

目录

• 学习重点
• 1.概述
• 2.Cache工作原理
• 3.Cache基本结构
• 4.Cache读写
• 5.Cache改进
• 6.Cache主存地址映射
  • 6.1 直接相联映射
  • 6.2 全相联映射
  • 6.3 组相联映射
• 7.替换算法
• 8.辅助存储器

学习重点

• 程序局部性原理
• Cache工作原理
• Cache基本结构
• Cache读写
  • 读流程
  • 写直达法
  • 写回法
• Cache改进
• Cache与主存映射
  • 直接相连
  • 全相连
  • 组相连
• 替换算法

1.概述

1. 引入Cache原因：提高访存速度，避免cpu空等

2. 示意图：
   

   • 缓存：容量小，速度快
   • 主存：容量大，速度慢

3. 程序局部性原理：

   • 时间局部性原理：当前用的指令和数据在未来会用到
   • 空间局部性原理：当前用的指令和数据相邻的指令和数据未来会用到

2.Cache工作原理

1. 主存与缓存编址示意图
   

   • 标记：放对应的主存块号
   • 主存块与缓存块的块内地址相同

2. 命中与未命中：

   • 命中，主存块调入缓存
   • 未命中，主存块未调入缓存

3. 命中率：命中的/所有的
   命中率和Cache容量和块长有关

4. 字块长：
   每个字块中字的数量，一个字包含n个位(bit)

3.Cache基本结构

• 地址映射变换机构：执行映射变换（主存块号—>缓存块号映射）
• 替换机构：执行缓存替换

4.Cache读写

1. 读：
   

2. 写：

   • 写直达法：
     写操作及写入Cache又写入主存
   • 写回法：
     写操作只把数据写入Cache，Cache被替换时再把数据写回主存

5.Cache改进

1. 增加Cache级数
   • 现代计算机每个核有自己的Cache，一般为3级
   • 分为片载Cache和片外Cache
2. 统一缓存变为分立缓存：
   • 指令Cache
   • 数据Cache

6.Cache主存地址映射

6.1 直接相联映射

主存中任意给定块只能放到给定的Cache块中。

• Cache地址取出标记与主存字块标记对比，相等命中，否则不命中
• 优缺点：
  • 查询快
  • Cache利用率低
  • 冲突概率大

6.2 全相联映射

主存中任意一个块可以放到任意一个Cache块中。

• 主存字块标记和Cache中所有标记对比，相同命中
• 优缺点：
  • 查询慢
  • Cache利用率高
  • 冲突(替换）概率小

6.3 组相联映射

直接相连和全相连的折中。
把Cache块分为若干组，每组2^i个块(i=1,2,3...)，几个块称为几路组相连。
主存中任意给定块只能放到给定的组中。

• 主存字块标记和组地址对应组中所有标记做对比，有相同命中
• 全相连和直接相连的折中方式
• 分1组：全相连（多级缓存中远离Cpu的Cache）
• 每组只有1块：直接相连（多级缓存中靠近Cpu的Cache）

7.替换算法

1. FIFO：先进先出
2. LRU：最近最久未使用
3. 随机替换

8.辅助存储器

1. 特点：
   不直接与CPU交换信息
   辅助存储器位置见第一张图

2. 硬磁盘：
   

   主机：cpu+主存
   磁盘控制器：

   • 和主机使用总线相连
   • 对硬盘(磁盘)直接控制

3. 软盘：已退出市场

4. 光盘：
   一代：热作用，不可擦写
   二代：热磁效应，可擦写