计算机组成原理（四）Cache存储器

Cache存储器的基本原理

• Cache是一种高速缓冲寄存器，是为了解决CPU和主存之间速度不匹配而采用的一项关键技术。
• Cache能够高速地向CPU提供指令和数据，从而加快程序的执行速度。
• Cache 为了追求高速，包括管理在内的全部功能由硬件完成。

cache命中率、平均访问时间、效率

• 理解

地址映射

• 主存容量远大于cache容量，所以当你要把一个主存块调入cache时，就有一个如何放置的问题（映射问题）

全相联映射

• 全相联映射：将主存种一个块的地址与块的内容一起存入cache的行中，其中块地址存入cache行的标记部分中。
• cache的数据块大小称为行。主存的数据块大小称为块。行与块是等长的。
• 可以使得主存中的一个块直接拷贝到cache的任意一行，非常灵活。
• 缺点：比较电路难于设计和实现，只适合小容量cache使用

直接映射

• 这是一种多对一的映射方式，但是一个主存块只能拷贝到cache的一个特定行位置上。
• cache 的行号i 和主存的块号 j 有如下函数关系：
  $i=jmodm(n为cache中的总行号）$
• 直接映射方式的优点：硬件简单，成本低。
  缺点：每一个主存块只有一个固定的行位置可以存放，容易发生冲突。适合大容量的cache采用。

• 区别于组相联映射

组相联映射

• 组相联映射方式是全相联映射和直接映射的混合：将cache 分成u 组，每一组v行，主存存放到哪一个组是固定的，至于存到该组的哪一行是灵活的。
  $m=u\ast v组号q=jmodu$
• 组相联映射方式中，每一组的行数v一般取值较小，这种规模的v路比较器容易设计和实现。而块在组中的排放又有一定的灵活性，冲突减少。

查找算法

• 通过查找目录表实现
• cache中设有一个目录表，该表所包含的项数与cache的块数相同，每一项对应cache中的一块，用于指出当前该块中存放的信息是哪一个主存块的。它实际上记录了该主存块的块地址的高位部分，称为标识(tag).每一个主存块能唯一地由其标识来确定。

cache 存储器替换策略

• cache的工作原理要求它尽量保存最新数据

cache 存储器-写操作策略

习题

• 简单点评：
  （1）全相联方式：其实就是组号为1的组相联方式，那么对于主存的地址的分配，就只有标记+块内地址，同时，这个标记的位置也就是内存中块的数目
  （2）直接映射方式：需要直接映射到cache中，所以要留有到底映射到哪一个cache的行，所以地址的组成是’标记+块数+块内地址’，其中，标记加上块数的部分的总的位数是主存中的块的数目，其中的块数应该是cache的行数
  （3）组相联映射：在全相联映射的基础上，增加了组号的问题，主存中地址的形式标记+组号+块内地址，其实，和直接映射相比，也就是将cache的行数换成了组数。

• cache 的地址组成刚刚好是 块数加上块内地址