计算机组成原理——CACHE7.pptVIP

页表转换方法 页表基地址 页地址 字地址 页面号 字地址 虚地址 实存地址 …… ……. …….. ……. 控制字 主存页面号 页表（在主存中） 返回 段页式虚拟存储器分配 0 1 2 页内零头 3 4 5 页内零头 6 7 8 9 10 页内零头 11 12 主存页 虚页号 段号 程序号 0 0 D 1 0 D 0 1 D 1 1 D 0 2 D 1 2 D 3 2 D 练习： 访问程序地址为D道1段0页 4单元 返回 高速缓冲存储器 一、概述 1. 问题的提出 避免 CPU “空等” 现象 CPU 和主存（DRAM）的速度差异 缓存 CPU 主存 容量小 速度高 容量大 速度低 程序访问的局部性原理 2. Cache 的工作原理 (1) 主存和缓存的编址 主存和缓存按块存储 块的大小相同 B 为块长 ~ ~ ~ ~ … … 主存块号 主存储器 0 1 2m－1 字块 0 字块 1 字块 M－1 主存块号 块内地址 m位 b位 n位 M块 B个字 缓存块号 块内地址 c位 b位 C块 B个字 ~ ~ ~ ~ … … 字块 0 字块 1 字块 C－1 0 1 2c－1 标记 Cache 缓存块号 (2) 命中与未命中 缓存共有 C 块 主存共有 M 块 M C 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 主存块块号 命中 未命中 主存块与缓存块 未建立 对应关系 主存块 未调入 缓存 (3) Cache 的命中率 CPU 欲访问的信息在 Cache 中的 比率 命中率 与 Cache 的 容量 与 块长 有关 一般每块可取 4 至 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 IBM 370/168 4体交叉 块长取 4 个存储字 （64位×4 = 256位） 数据总线 Cache 替换机构 可装进？ 命中？ 主存Cache 地址映象 变换机构 主 存 访问主 存替换 Cache Cache 存储体 块号 块内地址 直接通路 访问主存装入Cache N N Y Y 块号 块内地址 CPU 主存地址 地址总线 Cache地址 3. Cache 的基本结构 Cache 替换机构 由 CPU 完成 Cache 存储体 主存Cache 地址映象 变换机构 结论 当需要的存储单元未放在cache中，则要调入新的字块，如果位置已满，则要考虑替换哪一个旧的字块，即替换策略。 最好替换策略： 按照被替换的字块是下一段时间最少使用的，由替换部件实现。 cache与主存如何保持一致 标志交换方式:用标志注明修改过的cache，直到该块换出时才一次写入主存。 通过时写入：每次写入cache也同时写入主存。 写操作直接对主存进行，而不写入cache存储器。 cache的存取时间 平均存取时间=h*tc+(1-h)(tc+tm) 4. Cache 的 读写 操作 访问Cache 取出信息送CPU 访问主存 取出信息送CPU 将新的主存块 调入Cache中 执行替换算法 腾出空位 结束 命中？ Cache满？ CPU发出访问地址 开始 Y N Y N 写 Cache 和主存的一致性 读 5. Cache 的改进 (1) 增加 Cache 的级数 片载（片内）Cache 片外 Cache (2) 统一缓存和分开缓存 指令 Cache 数据 Cache 与主存结构有关 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 地址映像：信息从主存装入cache时，主存地址要按一定规则 映像为cache地址。 地址转换：程序根据用户提供的主存地址访问cache中对应内 容时，要完成主存地址转换为cache地址。 二 cache—主存的地址映像 概念 直接映像 映像函数：主存块号?cache块号的函数：j=i mod 2c 511 …. 17 16 15 ……. 4 3 2 1 0 主存 字块15 ………….. 字块1 字块0 标记 标记 标记 cache 举例：主存容量为64KW，