Cache的原理與地址映像機(jī)制.ppt

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1、Cache原理與地址映像機(jī)制重點(diǎn)Cache的工作原理Cache的基本結(jié)構(gòu)地址映像機(jī)制替換策略1.問題的提出避免CPU“空等”現(xiàn)象CPU和主存(DRAM)的速度差異程序訪問的局部性原理一、Cache的工作原理空間局部性時間局部性1.問題的提出避免CPU“空等”現(xiàn)象CPU和主存(DRAM)的速度差異緩存CPU主存容量小速度高容量大速度低一、Cache的工作原理字塊主存塊調(diào)入緩存主存塊與緩存塊建立了對應(yīng)關(guān)系標(biāo)記記錄與某緩存塊建立了對應(yīng)關(guān)系的主存塊號命中未命中主存塊與緩存塊未建立對應(yīng)關(guān)系主存塊未調(diào)入緩存2.Cache的命中率(1)主存和緩存的編址主存和緩存按塊存儲塊

2、的大小相同B為塊長~~~~……主存塊號主存儲器012m-1字塊0字塊1字塊M-1主存塊號塊內(nèi)地址m位b位n位M塊B個字緩存塊號塊內(nèi)地址c位b位C塊B個字~~~~……字塊0字塊1字塊C-1012c-1標(biāo)記Cache緩存塊號命中率命中率:CPU訪問cache的次數(shù)占總訪問次數(shù)的比例。設(shè)NC表示cache完成存取的總次數(shù),NM表示主存完成存取的總次數(shù),h為命中率,則有:h=NC/(NC+NM)若tC表示命中時的cache訪問時間,tm表示未命中時的主存訪問時間,則cache/主存系統(tǒng)的平均訪問時間ta為:ta=htc+(1-h)tm目標(biāo):以較小的硬件代價使cach

3、e/主存系統(tǒng)的平均訪問時間ta越接近tc越好,用e表示訪問效率表示。設(shè)tm/tc=r則有:e=tc/ta=1/(r+(1-r)h)命中率h越接近于1越好,r值以5~10為宜,不宜太大。3.Cache的讀操作訪問Cache取出信息送CPU訪問主存取出信息送CPU將新的主存塊調(diào)入Cache中執(zhí)行替換算法騰出空位結(jié)束命中?Cache滿?CPU發(fā)出訪問地址開始是否是否4.Cache的基本結(jié)構(gòu)Cache替換機(jī)構(gòu)Cache存儲體主存Cache地址映像變換機(jī)構(gòu)由CPU完成二、地址映射機(jī)制主存和緩存的編址~~~~……主存塊號主存儲器012m-1字塊0字塊1字塊M-1主存塊號

4、塊內(nèi)地址m位b位n位M塊B個字緩存塊號塊內(nèi)地址c位b位C塊B個字~~~~……字塊0字塊1字塊C-1012c-1標(biāo)記Cache緩存塊號二、地址映像機(jī)制地址映像機(jī)制AC=f(AM)常用的地址映像方式直接映像方式全相聯(lián)映像方式組相聯(lián)映像方式二、地址映像機(jī)制1.直接相聯(lián)字塊2m-1字塊2c+1字塊2c+1-1字塊2c+1字塊2c字塊2c-1字塊1字塊0………主存儲體字塊1標(biāo)記字塊0標(biāo)記字塊2c-1標(biāo)記Cache存儲體t位012c-1…字塊字塊地址主存字塊標(biāo)記t位c位b位主存地址比較器(t位)=≠不命中有效位=1?*m位Cache內(nèi)地址否是命中字塊2c+1字塊2c字塊

5、0字塊0檢索過程:根據(jù)內(nèi)存地址中的t位標(biāo)記與cache的標(biāo)記位相比較,然后將塊地址與cache的塊地址相比較,判斷是否命中。特點(diǎn):硬件實(shí)現(xiàn)簡單,成本低。但每個主存塊只有一個固定的行可以存放。當(dāng)cache的行數(shù)較少時發(fā)生沖突的可能性很大,頻繁的置換會使cache的效率下降。直接映射方式一般用于大容量的cache中。二、地址映像機(jī)制1.直接相聯(lián)特點(diǎn):主存地址塊映射到Cache的固定塊j=imod(M)實(shí)現(xiàn)簡單空間利用率低,沖突概率高二、地址映像機(jī)制2.全相聯(lián)字塊2m-1字塊2c-1字塊1字塊0……字塊2c-1字塊1字塊0…標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記主存字塊標(biāo)記字塊內(nèi)地址主存地

6、址m=t+c位b位m=t+cCache存儲器主存儲器字塊0全相聯(lián)映射方式的檢索過程:CPU發(fā)出內(nèi)存地址的塊號部分(s位)與cache中所有行中的標(biāo)記部分同時比較,若某行的標(biāo)記與要訪問的塊號相同,命中,則再根據(jù)塊內(nèi)地址(b位)從該行中讀取相應(yīng)字;否則,未命中,則按內(nèi)存地址從主存中讀取一個字。優(yōu)點(diǎn):靈活,cache可以得到充分利用。但當(dāng)行數(shù)較多時要實(shí)現(xiàn)所有行中的標(biāo)記部分同時參與比較,電路實(shí)現(xiàn)困難。全相聯(lián)映射方式一般用于小容量cache。二、地址映像機(jī)制2.全相聯(lián)特點(diǎn):主存地址塊映射到Cache的任意塊空間利用率高,沖突概率低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜二、地址映像機(jī)制3.組相聯(lián)字塊

7、2m-1字塊2c-r+1字塊2c-r+1字塊2c-r字塊2c-r-字塊1字塊0………字塊3標(biāo)記字塊1標(biāo)記字塊2c-1標(biāo)記字塊2標(biāo)記字塊0標(biāo)記字塊2c-2標(biāo)記…………字塊內(nèi)地址組地址主存字塊標(biāo)記s=t+r位q=c-r位b位組012c-r-1主存地址Cache主存儲器m位共Q組,每組內(nèi)兩塊(r=1)1字塊0字塊1字塊0字塊2c-r字塊2c-r+1組相聯(lián)映射檢索過程:根據(jù)地址中的組地址找到cache的相應(yīng)組,然后將該組的標(biāo)記部分與內(nèi)存地址的塊號同時比較,判斷是否命中。特點(diǎn):組內(nèi)有一定的靈活性,而且因組內(nèi)行數(shù)的減少,比較的硬件電路比全相聯(lián)方式簡單些。組相聯(lián)映射的每組

8、的行數(shù)v一般取值較小,典型值為2,4,8,16。為強(qiáng)

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