PC_高速缓冲存储器cache和局部性原理

文章目录

• • 高速缓冲存储器cache
  • • 程序访问的局部性原理
    • • 程序访问数据的局部性好坏判断
      • 程序指令的局部性判断
    • 局部性原理&算法时间复杂度
  • cache的工作原理
  • • cache和内存
    • • 地址划分
    • cache工作过程/命中
    • 命中率
    • cache容量和命中率的关系
    • cache块长和命中率的关系
    • cache结构
    • • cache存储体
      • 地址映射变换机构
      • 替换机构
    • 例
  • cache的主要问题
  • • 数据查找
    • 地址映射
    • 替换策略
    • 写入策略

高速缓冲存储器cache

• cache也是存储器中的一种

程序访问的局部性原理

• 时间局部性
  • 最近的未来要用到的信息,很可能是正在使用的信息
  • 因为程序中存在循环(重复执行相同一批的指令(取指操作))
• 空间局部性
  • 最近的未来要用到的信息,很可能与现在正在使用的信息在存储空间上是邻近的
  • 因为指令通常是顺序存放,顺序执行的
  • 数据一般也是以向量/数组等形式簇聚地存储在一起的
• 高速缓冲技术就是利用局部性原理,把程序正在使用的部分数据存放在一个高速的(容量较小的)Cache中
  • 使cpu的访存操作大多在针对cache进行,从而提高了程序的执行速度

程序访问数据的局部性好坏判断

• 如果某个程序(片段)对数据的访问顺序和数据的存放顺序一致,那么认为程序空间局部性好
  • 比如二维数组
    • 按行访问,空间局部性好
    • 按列访问,空间局部性不好
• 如果数据只被访问了一次(或者重复次数少),那么其时间局部性被认为是不好
  • 如果数据被重复访问,那么比较符合时间局部性
  • 因为最近访问过的数据已经存在于cache上,对这些数据的访问是快速的

程序指令的局部性判断

• 比如for循环访问二维数组
  • for循环体被重复执行一批相同的指令,因此时间局部性好
  • 循环体内的指令被连续存放,和执行顺序一致,空间局部性好

局部性原理&算法时间复杂度

• 以遍历二维数组求和所有元素的算法为例
  • 一种方法是按行遍历相加
  • 另一种是按列遍历相加
  • 它们在复杂度上都是$O(n^2)$(渐进性能)
  • 但是由于计算机的结构特点,按行遍历的方式速度更快

cache的工作原理

• 设主存由$2^n$个可编址的字组成
  • 每字具有唯一的n位地址

cache和内存

• 为了便于cache和主存交换信息,cache和主存被划分为大小相等的块
• cache块(缓存块)也称为cache行
  • 每块由若干个字或字节(Byte)组成,每个块内包含的存储字数相同
  • 块的长度称为块长(cache行长)
  • cache中仅保存最活跃的若干块(主存的)副本
  • cache按照某种策略,预测cpu在未来一段时间内预访问的数据,将其(从主存)载入到cache

地址划分

• 通过分块操作:主存和cache的地址被分为两部分:
• 主存:
  • 高m位表示主存的块地址
    • $M=2^m$表示主存块数
  • 低b位表示块内地址
• cache:
  • 高c位表示缓存块的块号
    • $C=2^c$表示缓存块数
  • 低b位同样表示块内地址
• 块的大小(内存块和缓存块大小都是$B=2^b$个字(存储字))

cache工作过程/命中

• 当CPU发出读请求时，
  • 若访存地址在Cache 中命中，就将此地址转换成Cache地址，直接对Cache进行读操作，与主存无关;
  • 若Cache不命中，则仍需访问主存，并把此字所在的块一次性地从主存调入Cache。
    • 若此时Cache已满，则需根据某种替换算法，用这个块替换Cache中原来的某块信息。
    • 整个过程全部由硬件实现。
    • CPU 与 Cache之间的数据交换以字为单位，
    • Cache与主存之间的数据交换则以Cache块为单位。
  • 注意:某些计算机中也采用同时访问Cache和主存的方式，
    • 若Cache命中，则主存访问终止;
    • 否则(cache未命中),则访问主存并替换Cache.
  • 当CPU发出写请求时，若Cache命中，有可能会遇到Cache 与主存中的内容不一致的问题。
    • 例如，由于CPU 写Cache，把 Cache某单元中的内容从X修改成了X’，
      • 而主存对应单元中的内容仍然是X，没有改变。
      • 所以若Cache命中，需要按照一定的写策略处理，常见的处理方法有全写法和回写法

命中率

• cpu欲访问的信息在cache中的比率称为cache的命令率

• 一个程序执行期间,cache的总命中次数为$N_c$

• 访问主存的总次数为$N_m$,则命中率H为

• $$\begin{gathered} H=\frac{N_c}{N_c+N_m} \\ 其中N=N_c+N_m为访存总次数 \end{gathered}$$

• 为了提高访问效率,命中率H越高(越接近1)越好

• 设

  • $t_c$为命中时的cache访问时间
  • $t_m$为未命中cache时访问内存的时间
  • $1-H$表示未命中率

• cache-主存系统的平均访问时间:

  • 设cpu采用同时访问cache和主存的策略

  • $$T_a=H{t}_c+(1-H)t_m$$

    • 根据全概率公式可以直接得出该公式

cache容量和命中率的关系

• 一般而言,cache容量越大,cpu命中cache的概率越大
• 但是当cache增大到一定程度后,命中率不再提高

cache块长和命中率的关系

• 这一对关系比较复杂
• 块长的最优值是难以确定的
• 起初会由于块长的增加(由较小到大)提升命中率
  • 因为,局部性原理的作用:
    • 已被访问的字的附近字,近期可能也别访问
    • 快长增大,有望将更多有用的字存入cache,提高命中率
    • 🎈(如果存入的cache是不常用的字,那么反而会降低应有的命中率)
• 当cache块增加到一定程度,命中率会下降
  • 因为,装入缓存的有用数据字的在每个块的占比p会由于过长的块长导致下降
  • 使得有限的cache空间被不常用的字(内容)占据了较多空间,而常用的字占比下降,降低命中率
    • 由于块长的增长,缓存块数目下降,新装入的块会覆盖旧有的块
    • 可能造成刚刚被装入cache的块很快就被覆盖,使得一些常用的字被覆盖,而新装入的数据可能只是用上一次
      • 因为,虽则块长的增大,距离被访问的字T的较远的其他字D也被调入cache,然而这些较远的字近期被访问的概率没有那么高
    • 也就是说,每次变动的内容太多,容易使得真正常用的数据被不必要地替换出去
      • 如果采用不太大的块长,在发生替换时就没那么容易发生这种不希望发生的替换

cache结构

cache存储体

• 大多采用多体结构

地址映射变换机构

• 将cpu送来的主存地址转换为cache地址
• 主要是完成主存的块号(高位地址)与cache快号间的转换
• 地址变换与主存地址采用的变换映射函数有关

替换机构

• 当cache内容已满,无法接受新的来自主存的块时,有cache替换机构按照一定的替换算法来确定从cache内移出哪个块返回主存,而把来自主存的新块调入cache
• 用户编程的地址是主存地址
• cache块调换是透明的

例

• 假设访问主存的速度v

  • 时间为$t_m=\frac{1}{v}$

• 访问cache的速度为5v

  • 时间为$t_c=\frac{1}{5}{t}_m(=\frac{1}{5v})$
    • 整式化:$t_m=5t_c$

• cache命中率为H=95%

  • 1-H=5%

• 采用cache后性能提升为几倍$\eta =\frac{t_m}{t_a};t_a是引入cache后的访存时间(平均)$?

  • 倍数为$k=\eta -1$

  • 设cpu采用同时访问cache和主存的策略

  • $$T_a=0.95t_c+0.05t_m=0.95t_c+0.05(5t_c)=1.2t_c$$

  • $$\eta =\frac{5t_c}{1.2t_c}=4.17\cdots$$

  • $k=\eta -1=3.17$

cache的主要问题

数据查找

• 讨论如何判断数据是否在cache中

地址映射

• 主存块如何放入cache中
• 如何将主存地址转换为cache地址

替换策略

• cache满后,如何对cache块进行替换/淘汰

写入策略

• 保证主存块和cache块的数据一致性