计算机组成原理14-存储系统04讲述.ppt

第四章 存储系统 4、高速缓冲存储器（Cache） 4.1、地址映象 4.2、替换算法 4.3、多层次的Cache 辅助存储器 Cache 的全部功能都是 由硬件完成的， 对程序员来说是透明的。 有了Cache使CPU的工作效率大大提高。但是当未命中而将新的主存块 调入Cache中而它的可用位置又已被占满时，就产生替换算法问题。 替换算法目的：获得最高命中率，使CPU访问的块尽可能都在Cache中。 1）先进先出算法 FIFO 按调入Cache的先后决定淘汰的顺序，淘汰最先调入Cache的块。 这种方法：实现容易，系统开销少，但不一定合理，因为有些最先调入的块可能正在使用。 2）最近最少使用算法 LRU 为Cache各块建立一个LRU目录，记录其调用情况，当需要替换时将 在最近一段时间内使用最少的块替换出去。 这种方法：命中率高，但算法复杂，系统开销大。 4.2、替换算法 LRU替换算法的平均命中率高于FIFO替换算法的平均命中率。 应为LRU替换算法反映了程序的局部性特点。 例：设一个容量为4个块的全相联Cache，分别采用FIFO和LRU替换算 法，假定访问的主存地址块序列为2、11、2、9、7、6、4、3， 画出每次访问后Cache中的内容变化情况。 解：FIFO先进先出替换算法 主存地址块号： 2 11 2 9 7 6 4 3 Cache块 分配情况： 操作状态 调入 调入 命中 调入 调入 替换 替换 替换 2 11 2 2 11 2 11 9 2 11 9 7 6 11 9 7 6 4 9 7 6 4 3 7 4.2、替换算法 例：设一个容量为4个块的全相联Cache，分别采用FIFO和LRU替换算 法，假定访问的主存地址块序列为2、11、2、9、7、6、4、3， 画出每次访问后Cache中的内容变化情况。 解：LRU最近最少使用替换算法 主存地址块号 2 11 2 9 7 6 4 3 Cache块 分配情况： 操作状态 调入 调入 命中 调入 调入 替换 替换 替换 4.2、替换算法 2 11 2 2 11 2 11 9 2 11 9 7 2 6 9 7 4 6 9 7 4 6 3 7 第四章 存储系统 4、高速缓冲存储器（Cache） 4.1、地址映象 4.2、替换算法 4.3、多层次的Cache 辅助存储器 Cache 的全部功能都是 由硬件完成的， 对程序员来说是透明的。 1）、指令Cache和数据Cache 随着计算机技术的发展和处理速度的加快，存取数据的操作经常会 与取指令的操作发生冲突，从而延迟了指令的读取。 发展的趋势是将指令Cache和数据Cache分开而成为两个相互独立 的Cache。 2）、 多层次Cache结构 片内Cache的容量受芯片集成度的限制，容量小，命中率低。 于是推出了二级Cache方案： 一级Cache(L1)在CPU芯片内，容量小，速度快； 二级Cache(L2)在CPU芯片外，容量大，SRAM存储器。 两级Cache之间一般有专用总线相连。 4.3、多层次的Cache 3）、Cache的一致性问题 CPU对Cache的写入更改了Cache的内容，可选用写操作策略使 Cache内容与主存内容保持一致。常用的写操作策略： （1）写回法 当CPU写Cache命中时，只修改Cache的内容，而不立即写入主 存；只有当此块被换出时才写回主存。减少了访问主存的次数， 但存在不一致性的隐患。 （2） 写直达法 当CPU写Cache命中时，同时修改Cache与主存的内容，维护了 一致性。当CPU写Cache未命中时，直接修改内存的内容。但是 降低了Cache的功效。 （3）写一次法 基于以上两种方法，第一次写命中时使用写直达法（同时修改 Cache与主存的内容），以后命