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存储系统(4)Cache缓存

存储系统(4)Cache缓存

作者: moriv4 | 来源:发表于2020-05-15 22:17 被阅读0次

    课程来源:华中科技大学 计算机组成原理公开课

    计算机各个部件的速度存在差异,慢速的内存会让快速的CPU性能严重下降。缓存就是用来解决这种类型的问题。根据局部性原理,程序下一次访问的地址在上一次访问地址的旁边。把访问地址附近的数据装入缓存,下一次访问时,CPU大概率能从缓存中找到数据,速度大大提升。

    Cache的工作过程:如果CPU访问的数据在Cache中,则从Cache中读取数据。如果CPU访问的数据不在Cache中;如果CPU访问的数据不在Cache中,则从内存中读取数据,然后在把内存相关块区域复制到缓存中。

    这里有一些问题:如何判断数据是否在Cache中? 如何判断数据是否有效?这就和Cache地址映射机制有关。

    首先要把Cache分行,内存分块;一行的容量等于一块的容量,这样就可以把内存中的某一块调入Cache的某一行。再把内存地址分为两个部分:块地址+块内偏移,或者进一步划分为:tag+index+offset。tag判断数据是否在Cache中,index表示在Cache中哪一行读写数据。Offset是一行或一块内的地址。

    Cache的结构:CPU地址总线一部分连接到相联存储器,用来判断地址是否在Cache中。相联存储器剥离地址作为key,以key为关键字全局硬件并发比较。

    Cache 地址映射与变换方法

    内存数据如何迁至Cache才能实现快速查找?有常见的三种映射方式:全相连、直接相连、组相连。这三种方式都要把内存分块、Cache分行。

    全相连映射:内存地址表示为块号+块内地址,映射算法是内存的数据块可映射到Cache任意行,同时将该数据块地址对应行的标记存储体中保存。特点:Cache利用率高、块冲突率低、淘汰算法复杂。应用场合:小容量Cache。

    直接映射:内存分块后再按照Cache行数分区,内存地址表示为:区号+区内块号+块内地址,内存的数据映射到Cache的特定行。特点:Cache利用率低、块冲突率高、淘汰算法简单,应用场合:大容量Cache。

    组相连映射:Cache分成k组,内存每k块分成一组。内存地址:内存组号+Cache组号+块内地址。它既有直接映射的特点也有全相连的特点。

    程序运行一段时间后,Cache存储控件被占满,当再有新数据要调入时,就需要通过某种机制决定替换的对象。有几种常见的替换算法:先进先出法、最不经常使用法、近期最少使用法、随机替换法。

    先进先出算法:每行Cache有一个计数器,调入时置0,每次加1。Cache装满后计数器最大的行被替换。

    最不经常使用:每行Cache有一个计数器,调入时置0,命中此行计数器加1。Cache装满后计数器最小的行被替换。

    近期最少使用法:每行Cache有一个计数器,调入时置0,每次加1,命中此行计数器置0。Cache装满后计数器最大的行被替换。

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