4.3-高速缓冲存储器

概述

为什么使用cache

• 避免cpu“空等”现象
• cpu和主存（dram）的速度差异过大

Cache的工作原理

• 主存和缓存的编址

• 命中与未命中

    缓存共有C块
    主存共有M块  M>>C

命中    主存块 调入 缓存
        主存块与缓存块建立了对应关系
        用标记记录与某缓存块建立了对应关系的主存块号
未命中  主存块未调入缓存
        主存块与缓存块未建立对应关系

• Cache的命中率

cpu预访问的信息在cache 中的比率
命中率与cache的容量和块长有关
一般每块可取4-8个字
块长取一个存取周期内从主存调出的信息长度

CRAY_1  16体交叉  块长取16个存储字
IBM370/168  4体交叉  块长取4个存储字
                        （64位x4=256位）

• Cache-主存系统的效率

Cache的基本结构

Cache的读写操作

写 Cache和主存的一致性

• 写直达法（Write-through）
  • 写操作时数据既写入cache又写入主存
  • 写操作时间就是访问主存的时间
  • cache块退出时，不需要对主存执行写操作
  • 更新策略比较容易实现
• 写回法（Write-back）
  • 写操作时只把数据写入cache而不写入主存
  • 当cache数据被替换出去时才写回主存
  • 写操作时间就是访问cache的时间
  • cache块退出时，被替换的块要写回主存，增加了cache的复杂性

Cache的改进

• 增加cache的级数
  • 片载（片内）cache
  • 片外cache
• 统一缓存和分立缓存
  • 指令cache
  • 数据cache
  • 与指令执行的控制方式有关
  • 是否流水

Pentium 8K 指令 Cache 8K 数据 Cache
PowerPC620 32K 指令 Cache 32K 数据 Cache

Cache-主存的地址映射

直接映射

全相联映射

组相联映射

替换算法

• 先进先出（FIFO）算法
• 近期最少使用（LRU）算法