【计算机组成原理】：存储系统学习(上)
一、程序的运行
冯诺依曼机的运行大致可分为两个步骤，存储程序和程序控制。具体而言，可分为以下步骤：
（1）输入设备将程序与数据写入内存；
（2）CPU取指令；
（3）CPU执行指令期间读数据；
（4）CPU写回运算结果；
（5）输出设备输出结果。
二、存储系统层次结构
由于CPU和主存的运行速度相差较大，程序运行的速度就会受制于内存的速度。于是，存储系统引入了高速缓存(Cache)。Cache的引入使得CPU访问到的存储系统具有Cache的速度，赋存的容量和价格。
同时，Cache又可以划分为L1 Cache和L2 Cache。其中L1 Cache集成在CPU中，分数据分数据Cache(D-Cache)和指令Cache(I-Cache）。早期L2 Cache在主板上或与CPU集成在同一电路板上。随着工艺的提高L2 Cache被集成在CPU内核中，不分D-Cache和I-Cache。
三、主存中的数据
数据存放在内存中，分为按边界存放和未按边界存放。
(1)按边界存放
按边界存放的方式，在32位系统中，存储单元为4个字节。int占4个字节，short占两个字节，double占8个字节，char占1个字节。会产生空间空余。
(2)未按边界存放
未按边界存放充分利用了空间，但是增加了内存的访问次数。如double类型的x，占了三个存储单元，需要访问三次。因此，这种方式虽然节省了空间，但增加了访问内存的次数。
四、主存中的数据组织
知道了数据在内存中的存放方式，具体到代码层面有什么影响呢？
如下两种结构体的写法：
struct S1{ int i; char c; int j } struct S2{ int i; int j char c; }
在边界对齐的情况下，这些数据在内存中的存储如下图所示。可以看到S1的结构体写法占了12个字节，S2的结构体占了9个字节。但就一个结构体的数据而言，代码的写法确实可以节省空间。
五、Cache的基本原理
Cache主要是用来解决CPU与慢速的主存之间的速度差异。Cache的工作原理分为读操作和写操作。
(1)读操作
如果Cache中已经有了该数据，就直接读入，这个过程称为命中(HIT)。如果Cache中没有这个数据，就会从内存中读取一个数据块缓存到Cache中，接着从Cache中读取到CPU，这个过程称为缺失(MISS)。缺失会造成访问速度急剧下降。
(2)写操作
写操作有两种策略，写穿策略(WriteThrough)和写回策略(WriteBack)。写穿策略是CPU向Cache中写数据后，将Cache中的数据写入到主存。写回策略是CPU向Cache中写数据后，不向主存写入数据。写回策略速度很快，但是数据的更新没有刷新到主存。
六、Cache的地址映射机制
主存地址通常按照块地址进行划分，Cache地址通常按照行进行划分，主存块大小和Cache中的行大小相等。主存地址通常划分为三个部分，Tag用来判断该数据是否在Cache中，Index用来找Cache中对于的数据位，块内偏移用来查找对应数据。Cache的结构如下图所示，Tag与主存Tag一致，Data用来存储一行数据，Valid表示Cache中的数据是否有效，Dirty表示主存中的数据是否是最新的。
主存与Cache地址映射通常有三种方式，全相联(fully-associated)、直接相联(direct mapped)和组相联(set-associated)。
(1)全映射
主存地址变成二维(块号 块内地址)，如地址61，二进制是00111101，将它划分为两部分 001111和01，其中001111是块号，01是块内地址。全映射的映射算法是主存的数据库可以映射到Cache的任意行，同时将该数据块地址对应行的标记存储体中保存。
全映射的过程如上图所示，若CPU的访问序列顺序为1F 20 24 1E。首先，对于1F地址，二进制为0001 1111，划分为二维后tag=000111，offset=11即第四哥单元。首先回判断tag为000111是否命中，一开始是缺失的，因此添加tag为000111的单元，并把有效位置为1，同时从主存中读取一个数据块1C 1D 1E 1F到Cache中。其中偏移地址为11的1F即可访问。20和24的访问同理可得。当访问到1E的时候，tag为000111的单元已经存在，此时是命中的状态，可以直接去除偏移为10的数据。
可以看到，全相联的映射Cache率很高，主存可以映射到Cache任意位置。同时，块冲突率低，淘汰算法复杂。因此，全映射算法适用于小容量Cache。
(2)直接映射
直接映射将主存地址从一维变成三维(区号、区内块号、块内地址)，如地址61二进制为00111101，划分为000011 11 01。直接映射的映射算法是，假设Cache有n行，主存第j块号映射到Cache的行号为i=j mod n ，即内存的数据块映射到Cache的特定行。
直接映射的过程如上图所示，若访问顺序为1F 20 24 1E 44。首先对于1F，地址划分为tag=0000，index=111，offset=11。因此，1F这个数据块只能映射到第7行。 如果某一行中，已经有了数据，且tag不一致，那么就会发生碰撞。这种情况下就会覆盖掉原来的数据。
直接映射的特点是Cache的利用率低，只能映射到特定行中。块冲突率高，淘汰算法简单，适用于大容量的Cache。
(3)组相联映射
组相连映射把地址从一维变成三维(组号、组内块号、块内地址)。如地址61划分为0000111 1 01。组内映射算法是Cache共n组，主存第j块号映射到Cache 的组号为： i=j mod n 即主存的数据块映射到Cache特定组的任意行。
组相联映射会把数据映射到对应组的任意行，接着根据tag进行判断是否命中，如果该组已经满了，就会发生碰撞。组相联映射相当于全相联映射和直接映射的折中。下图说明了组相联与其它两种方式的关系。若Cache有8行，当组相联数k=8时，组相联就变成了全相联。当k=1时，就变成了直接相联。
七、替换算法
当程序运行一段时间后，Cache存储空间被占满，当再有新数据要调入时，就需要通过某种机制决定替换的对象。因此，就需要替换算法。常见的替换算法有：先进先出法(FIFO,First in First out)，最不经常使用法(LFU,Least Frequently Used)，近期最少使用法(LRU,Least recently Used)，随机替换法。
(1)先进先出法(FIFO)
先进先出法，顾名思义就是当需要替换时，先被访问的最先被替换。如上图，22载入添加一个标记0，后面没载入一次标记+1，依次载入到22 11 19 7，其中22命中一次。当载入16时，Cache已经满了。这时候需要采用先进先出的替换算法，其中22是最先被载入的，因此替换22。
(2)最不经常使用法(LFU)
最不经常使用法，就是优先替换掉命中次数最少的行，如果命中次数相同，可以搭配其它替换策略，如FIFO。如上图，当载入4时，22的次数为2，11的次数为1，19和16的次数为0。因此替换掉先进来的19。同理，当载入3时，优先替换掉次数少且先进来的16。
(3)近期最少使用法(LRU)
近期最少使用法，就是优先替换掉很长一段时间没有命中的单元。每次载入，如果命中则标记清0，否则标记+1。如上图所示，当载入16时，优先替换标记最大的11，载入4时，优先替换最大的22。
