计算机组成原理第4章-(Cache)【下】

2023-12-22 18:30:52

高速缓冲存储器

我们首先要搞清楚,为什么要引入高速缓冲存储器呢?

首先,在多体并行存储系统中,I/O设备对于主存的使用权大于CPU对于主存的使用权,这也就造

成了CPU可能在一段时间内不能使用主存,从而浪费CPU资源。

其次,主存速度永远跟不上CPU的速度,因此可以说主存是遏制cpu高速计算的“罪魁祸首”。

为此,我们需要在CPU->主存之间引入高速缓冲存储器【Cache】来解决上述问题。

Cache的工作原理

块的基本概念

主存由2^{n}个“可编址”的“”组成,每个字有唯一的n位地址。

为了与Cache映射,将主存和Cache都分成若干块,每块又包含若干字,并且块大小相同。(块大

小就是块内字数)。

同时我们将主存的地址分成两段:

高m位表示主存的块地址低b位表示块内地址

2^{m}?= M表示主存的块数(从第0块->2^{m-1}块共2^{m})。

同时,我们还将Cache的地址也分成两段:

高c位表示缓存的块号,低b位表示块内字数,即C?=?2^{c}表示缓存块数。

而主存与缓存地址中都用b位表示其块内字数,即B = 2^{b}反映了块的大小,称B为块长。

CPU与Cache工作原理

任何时刻都有一些主存块处在缓存块中。

CPU欲读取主存某字时,有两种可能,一种是所需要的字已在缓存中,即可直接访问Cache(CPU

与Cache之间通常每次传送一个字的数据),这种可能被叫做“CPU访问命中”。

另一种可能是,当所需要的字不在Cache中,需要先将需要的字从主存一次调入Cache中(Cache

与主存之间是字块传送,即一次传送一个字块的数据),这种可能被叫做:“CPU访问未命中”。

一旦主存块成功调入进缓存中,那么就称该主存块与缓存块建立了对应关系

附加

值得注意的是,由于缓存块块数C远小于主存块块数M,因此一个缓存块不能唯一地”、“永久地”只

对应一个主存块,因此还需要在缓存块中设置一个标记,用来区分当前存放的是哪一个主存块。

当CPU读信息时,要将主存地址的高m位(或m位中的一部分)与缓存块的标记进行比较,以判

断所读信息是否在缓存中。

Cache效率衡量标准

因为Cache的容量与块长是影响Cache效率的重要因素。

因此,我们给出一种衡量Cache效率的名词:“命中率”。

命中率是指CPU要访问的信息是否已在Cache内比率

我们假设N_{c}访问Cache总命中次数N_{m}访问Cache总次数,则命中率h为:

h =?N_{c}?/?N_{c}?+?N_{m}

Cache-主存地址映射【极其重要

将主存地址映射到Cache地址称为地址映射

而地址映射的方式有三种:“直接映射”、“全相连映射”、“组相连映射”。

直接映射

下图给出了直接映射的对应关系:

图中每个主存块只与一个缓存块相对应,映射关系式为:

i = j mod C,其中i为缓存块号,j为主存块号,C为缓存块数。

直接映射的工作过程

主存地址的高m位被分成了两部分,低c位表示的是Cache的字块地址高t位表示主存字块标记

当缓存接收到CPU送来的主存地址后,只需根据中间c位字段(假蛇为00...1)找到Cache字块1

然后根于缓存字块1的标记是否与主存地址的高t位是否相符来判断,若符合则表示已建立对应关

系。

优点

直接映射的优点是:实现简单,只需利用主存地址的某些位直接判断,即可确定所需字块是否在缓

存中。

缺点

直接映射的缺点是:不够灵活,因为每个主存块只能固定地对应某个缓存块,即使缓存内还空着许

多位置也不能占用吗,使缓存的存储空间得不到充分的利用。

全相连映射

全相连映射允许主存中每一字段映射到Cache的任意位置上。

这种方式可以从已被占满的Cache中替换出任一旧字块。

优点

全相连映射的优点是:方式灵活,命中率更高,块冲突率更小

缺点

成本较高,时间较慢

全相连映射的主存字块标记从t位增加到t+c位,并且访问Cache时,主存字块标记需要和Cache的

全部“标记”位进行比较,才能判断吹所访问主存地址是否已在Cache内。

组相连映射

组相连映射是直接映射和全相连映射的一种折中。

它把Cache分为Q组,每组有R块,并有以下关系:

i = j mod Q,i是缓存的组号,j是主存的块号,Q是组数。

组相连映射的工作过程

2^{c}表示Cache的总块数,2^{q}表示Cache的分组个数,2^{r}表示组内包含的块数。

我们假设c = 5,q = 4,那么r =?c -?q = 1。

其实际含义为:“Cache共有32个字块,共分成了16组,每组有2个字块。

组内有2块的被称为:“二路组相连映射”,组内有4块的被称为:“四路组相连映射”。

此时我们注意到,主存的第j块会映射到Cache的第i组,两者之间一一对应,这体现了直接映射关

系。

另外,主存的第j块可以映射到Cache的第i组中任意一块,这又体现出全相连映射关系。

那么,我们可以得出一个结论:“当r=0时,是直接映射方式。当r=c时,是全相连映射方式。

例题

在这里,我们给出几道例题。

1.假设主存容量为512KB,Cache容量为4KB,每个字块为16个字,每个字32位。

(1):Cache地址有几位?可容纳多少块?

(2):主存地址有几位,可容纳多少块?

(3):在直接映射方式下,主存的第几块映射到Cache中的第5块(设起始字块为第1块)。

(4):画出直接映射方式下主存地址字段中各段的位数。

答:

(1):Cache容量4KB可以得到Cache存储单元个数为:2^{12}个。

即Cache地址就有12位。

每个字块16个字,每个字32位,那么Cache共可以容纳的块数为:

2^{12}?/ 32 / 16?=?2^{6}块。【2^{12}/32表示:“容量/每字位数=字数”】

(2):主存容量为512KB可以得到主存的存储单元个数为:2^{19}个。

即主存地址就有19位。

每个字块16个字,每个字32位,那么主存共可以容纳的块数为:

2^{19}? / 32 /16 =?2^{13}块。

(3):列数学式子:

N %?2^{6}?== 5,解得:N = 5 +64n,N <=?2^{19}

故第5、64+5....块可以映射到Cache的第5块。

(4):

b =?每块的字节数,因此b = 6位(2^{6})。

c = Cache字块地址,Cache共2^{6}块,因此c = 6位。

t =?总长度-b-t,总长度为主存的容量,因此,t = 19 - 6 - 6 = 7位。

2.假设主存容量为512K * 16位,Cache容量为4096 * 16位,块长为4个16位的字,访存地址为字地

址。

(1):在直接映射方式下,设计主存的地址格式。

(2):在全相连映射方式下,设计主存的地址格式。

(3):在二路组相连映射方式下,设计主存的地址格式。

(4):若主存容量为512K * 32位,块长不变,在四路组相连映射方式下,设计主存的地址格式。

答:

(1):主存容量512K,则主存总长度为2^{19},即19位。

Cache容量4096,则Cache长度为2^{12},即12位。

同时块长为4,即b = 2(2^{2})。

c = Cache容量 /?位数 = 4096 / 4 =?2^{10},则c = 10位。

t = 19 - 10 - 2 = 7。


(2):m =?n -?b = 19 - 2 = 17

(3):因为是二路组相连,则每组有两块,因此r = 1

同时,可以得到Cache共分:

Cache块数 / 2 = Q(组数),Q= 9。

q = Q = 9

s = t +?r或者(s = N -?q -?b) = 8。

(4):主存改为512K * 32位,那么主存共2^{20}位,即主存长度为20位。

又因为是四路组相连映射,因此

Q = 1024 / 4 =?2^{8}

r = 2

q = Q = 8

s = N -?q -?b = 20 - 8 - 2 = 10

文章来源:https://blog.csdn.net/zheshiyangyang/article/details/135154210
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