缓存Cache

研究生课程老师给了一篇论文，是关于缓存的，看完Abstract一脸懵逼之后决定来恶补一下，视频是观看的计算机组成原理（哈工大刘宏伟），这个随笔里的截图什么也都是视频里直接截图的，我只是想做个笔记自己之后再看~~~。

一、缓存存在的目的

程序局部性原理：通俗来讲就是一个变量在程序运行过程中，如果被引用过一次，那后续很有可能会再被引用到。在这里如果CPU访问一个块，那就将其调入缓存，我们认为CPU后边还会多次访问这个块，这样速度就能提高。

二、工作原理
（1）内存与缓存的编址

内存与Cache的块大小相同，但是数量不同，内存中的块的个数会远远大于Cache中的块的个数。两者的块内大小完全相同，两者传输数据的单位就是一个块，所以块内字节顺序不变，两者一一对应。Cache上的标记，标记了内存块和Cache块的对应关系，如果内存块要调入到Cache中，那么Cache相应的块的标记就是内存块号，CPU想要找内存中的块的话就先利用标记从Cache中找。

（2）命中与未命中

（3）Cache-内存系统效率

\[效率e = \cfrac{访问Cache 的时间}{平均访问时间} \times 100\% \]

设Cache命中率为\(h\)，访问Cache的时间为\(t_c\)，访问主存的时间为\(t_m\)，那么：

\[效率e = \cfrac{t_c}{h \times t_c + (1 - h) \times t_m} \times 100\% \]

当\(h = 0\)时，说明一次都没有命中，\(e\)达到最小值\(\cfrac{t_c}{t_m}\)；
当\(h = 1\)时，说明全部命中，\(e\)达到最大值\(1\)，即\(100\%\)命中率。

三、Cache基本结构

CPU访问内存，需要给出地址（块号 + 块内地址），其中块内地址相同，Cache块号需要将内存块号输入到映射变换机构获得，然后判断是否命中，如果命中，则直接从Cache中调入CPU；如果不命中，则需要访问内存，同时判断内存块是否能够调入Cache，如果Cache满，则需要进入替换机构执行替换算法，如果Cache没满，则直接调入。

四、Cache的读写操作
（1）读操作

（2）写操作

四、Cache的地址映射

• 直接映射
• 全相联映射
• 组相联映射
  （1）直接映射
  
  根据Cache长度和内存长度，把内存划分为若干个分区，每个分区大小与Cache的大小相同，就是包含的字块数相同，所以每个分区中的第0块就只能调入到Cache的第0块，每个分区的第1块，就只能调入到Cache的第1块......，Cache每一块前边的标记就是当前块在内存（主存储体）的分区号，CPU给出的访问地址就是主存子块标记（分区号） + Cache子块地址（块号） + 字块内地址，比较器就可以直接比较主存子块标记和Cache子块标记即可（分区号），缺点就是容易发生冲突，导致Cache利用率很低，因为内存的每一块能够调入Cache的位置只有一块，假如现在Cache中只有内存分区0中的第1块，现在CPU想要内存分区1中的第1块，这样就只能把Cache中第1块挤出去，但是明明Cache还有很多其他位置，这就导致了利用率低。

（2）全相联映射

内存的每一块都可以存放到Cache的任何一块，Cache中的标记是当前块在内存中的块号，这样Cache利用率高了，但是找起来就麻烦了，当CPU给出访问地址后，需要从头到尾在Cache中对着标记挨着找。

（3）组相联映射

就是直接相联和全相联的折衷。
先将Cache分成块，然后再分成组，每组中可以包含2，4，6......块，Cache分成了多少组，内存中就有多少个分区，每个分区只能去对应的组，进入组之后就是全相联了。

四、替换算法
（1）FIFO先进先出算法
最早进入Cache的块会在Cache满后最早被替换出去。
（2）近期最少使用算法LRU算法
最近一段时间里是用最少的块会被替换走，比较好的体现了程序的局部性（时间局部性）。

值得看的博客：
Set-Associative Cache