考研笔记-计算机之计算机组成原理:存储器(Cache)

表-Cache的性能指标

性能指标

定义

命中率h

在一个程序执行期间，设N_c为访问Cache的总命中次数，N_m为访问主存的总次数（即访问Cache的不命中次数），则命中率为

平均访问时间t_a

设t_c为命中时的一次Cache访问时间，t_m为未命中时的一次主存访问时间，h表示命中率，则平均访问时间为（t_a介于t_c和t_m之间）

访问效率e

设t_c为命中时的一次Cache访问时间，t_a为平均访问时间，则访问效率为，变形可得，其中，h为命中率，r为主存访问时间与Cache访问时间之比

说明：

1) Cache的容量越大，其CPU的命中率越高，但当Cache的容量达到一定值时，命中率不再随容量的增大而有明显的提高。

表-Cache的读写操作

Cache的读写操作

具体操作

Cache的读

当CPU发出主存地址后，首先判断该存储字是否在Cache中，若命中，则直接访问Cache，将该字送至CPU；若未命中，一方面要访问主存，将该字传给CPU，与此同时，要将该字所在的主存块装入Cache，若此时Cache已满，则执行替换算法。

Cache的写

对Cache的写需保持Cache与主存内容的一致

写直达法（write- through），又称存直达法（store- through）

写操作时既写入Cache又写入主存

写回法（write- back），又称拷回法（copy- back）

写操作时只写入Cache不写入主存，仅当Cache数据被替换出时才决定是否写回主存。为识别Cache中的数据是否与主存一致，Cache中的每一位需设置一个标志位标识该块是否修改过，在Cache替换时，未被修改过的块不必写回主存，可直接替换

表-Cache的改进

Cache的改进

改进方法

两级缓存

单一缓存

在CPU和主存之间只设一个缓存，该缓存与CPU在同一芯片内，称为片内缓存。CPU可直接访问片内缓存，不占用系统总线。

两级缓存

在主存与片内缓存之间再加一级缓存，该缓存在CPU外部，称为片外缓存。片内缓存称为第一级缓存，片外缓存称为第二级缓存。CPU使用独立的数据路径访问片外缓存，不占用系统总线。

分立缓存

统一缓存

指令和数据都存放在同一缓存内的Cache。当主存采用指令和数据统一存储的方案且未使用超前控制（指令预取）和流水线控制时，采用统一缓存。

分立缓存

指令和数据分别存放在两个缓存中，一个称为指令Cache，一个称为数据Cache。当主存采用指令和数据分开存储的方案或使用了超前控制（指令预取）或流水线控制时，采用分立缓存（采用分立缓存可避免指令预取引起的取指令与取操作数的访存冲突）。

表-Cache-主存地址映射

Cache-主存地址映射

原理

1) Cache和主存按相同大小分块，并以块作为交换数据的单位；

2) Cache分组，主存以Cache的分组数为大小进行分区；

3) 主存同一分区内的各块映射到Cache的不同组中（即主存同一分区中的各块按顺序依次映射到Cache的不同分组中，Cache同一分组中的来自主存不同分区的各块之间无次序要求，也即主存指定分区中的一块可以映射到Cache特定分组中的任意一块）；

4) Cache的块的大小通常定义为：用相同的体内地址访问N体交叉存储器一次所能读取的数据总量。

编址

Cache地址格式：

主存地址格式：

寻址

组相联映射（含直接映射和全相联映射）下：

组间直接映射（按地址寻址），根据指定的主存地址的区内块号，确定该主存地址单元在Cache中所应在的组；

组内相联映射（按内容寻址）。

设Cache分为Q组，i为Cache的组号，j为主存的块号，则根据i = j mod Q，可将主存块j映射到Cache的第i组内的任意一块。

分类

三种映射形式可统一为组相联映射（设Cache中包含的总块数为C），即直接映射为1路组相联映射，全相联映射为C路组相联映射。（路：用于定义主存中的任意一块可以映射到Cache中的几块，即Cache每组中包含的块数）

直接映射

Cache分为C组，每组1个Cache块，组号长度；

全相联映射

Cache分为1组，每组C个Cache块，组号长度；

组相联映射

Cache分为n组，每组C/n个Cache块，组号长度；