计算机组成原理课件第三章.ppt

3、 cache的命中率 从CPU来看，增加一个cache的目的，就是在性能上使主存的平均读出时间尽可能接近cache的读出时间。为了达到这个目的，在所有的存储器访问中由cache满足CPU需要的部分应占很高的比例，即cache的命中率应接近于1。由于程序访问的局部性，实现这个目标是可能的。 * 信息工程学院软件工程系 3、cache命中率公式 * 信息工程学院软件工程系 解： h=Nc/（Nc+Nm）=1900/(1900+100)=0.95 r=tm/tc=250ns/50ns=5 e=1/(r+(1-r)h)=1/(5+(1-5)×0.95=83.3% ta=tc/e=50ns/0.833=60ns * 信息工程学院软件工程系 无论选择那种映射方式，都要把主存和cache划分为同样大小的“块”。 选择哪种映射方式，要考虑： 硬件是否容易实现 地址变换的速度是否快 主存空间的利用率是否高、 主存装入一块时，发生冲突的概率 以下我们介绍三种映射方法 * 信息工程学院软件工程系 将地址分为两部分（块号和字），在内存块写入Cache时，同时写入块号标记； CPU给出访问地址后，也将地址分为两部分（块号和字），比较电路块号与Cache 表中的标记进行比较，相同表示命中，访问相应单元；如果没有命中访问内存，CPU 直接访问内存，并将被访问内存的相对应块写入Cache。 * 信息工程学院软件工程系 * 信息工程学院软件工程系 * 信息工程学院软件工程系 1、全相联的映射方式 特点： 优点：冲突概率小，Cache的利用高。 缺点：比较器难实现，需要一个访问速度很快代价高的相联存储器 应用场合： 适用于小容量的cache * 信息工程学院软件工程系 2、直接映射方式 映射方法（一对多）如： i= j mod m 主存第j块内容拷贝到Cache的i行 一般I和m都是2N级 [例]cache容量16字，主存容量256字，则地址2，18，34…..242等都存放在cache的地址2内，如果第一次2在cache中，下次访问34内容，则不管cache其他位置的内容访问情况，都会引起2块内容的替换 * 信息工程学院软件工程系 2、基本原理 利用行号选择相应行； 把行标记与CPU访问地址进行比较，相同表示命中，访问Cache； 如果没有命中，访问内 存，并将相应块写入Cache * 信息工程学院软件工程系 * 信息工程学院软件工程系 2、直接映射方式 特点： 优点：比较电路少m倍线路，所以硬件实现简单，Cache地址为主存地址的低几位，不需变换。 缺点：冲突概率高（抖动） 应用场合 适合大容量Cache * 信息工程学院软件工程系 3、组相联映射方式 前两者的组合 Cache分组，组间采用直接映射方式，组内采用全相联的映射方式 Cache分组U，组内容量V 映射方法（一对多） q= j mod u 主存第j块内容拷贝到Cache的q组中的某行 地址变换 设主存地址x，看是不是在cache中，先y= x mod u，则在y组中一次查找 * 信息工程学院软件工程系 3、组相联映射方式 分析：比全相联容易实现，冲突低 v=1，则为直接相联映射方式 u=1，则为全相联映射方式 v的取值一般比较小， 一般是2的幂，称之为v路组相联cache. * 信息工程学院软件工程系 * 信息工程学院软件工程系 LFU（最不经常使用 ）：被访问的行计数器增加1，换值小的行，不能反映近期cache的访问情况 LRU（近期最少使用） ：被访问的行计数器置0，其他的计数器增加1，换值大的行，符合cache的工作原理 随机替换：随机替换策略实际上是不要什么算法，从特定的行位置中随机地选取一行换出即可。这种策略在硬件上容易实现，且速度也比前两种策略快。缺点是随意换出的数据很可能马上又要使用，从而降低命中率和cache工作效率。但这个不足随着cache容量增大而减小。随机替换策略的功效只是稍逊于前两种策略。 * 信息工程学院软件工程系 由于cache的内容只是主存部分内容的拷贝，它应当与主存内容保持一致。而CPU对cache的写入更改了cache的内容。如何与主存内容保持一致，可选用如下三种写操作策略。 写回法：换出时，对行的修改位进行判断，决定是写回还是舍掉。 全写法：写命中时，Cache与内存一起写 写一次法：与写回法一致，但是第一次Cache命中时采用全写法。 * 信息工程学院软件工程系 主要包括四个部分： 取指/译码单元：顺序从L2cache中取程序指令，将它们译成一系列的微指令，并存入L1指令cache中。 乱序执行逻辑：依据数据相关性和资源可用性，调度微指令的执行，因而