第五-章-存儲系統(tǒng)cache要點(diǎn)課件

5.3并行主存儲器

所謂并行主存儲器，是指在一個主存周期內(nèi)可以并行讀取多個數(shù)據(jù)字的主存儲器。通常采用單體多字和交叉存取方式。尋址方式有單體多字尋址方式、多體存儲器的尋址方式和多體交叉尋址方式。下一頁上一頁5.3并行主存儲器所謂并行主存儲器，是指在一個

當(dāng)并行的存儲器共用一套地址寄存器和地址譯碼電路時稱為單體方式，其結(jié)構(gòu)原理圖如下。下一頁上一頁⒈單體多字尋址方式當(dāng)并行的存儲器共用一套地址寄存器和地址譯碼電路時

多個并行存儲器與同一地址寄存器連接，所以同時被一個單元地址驅(qū)動，一次訪問讀出的是沿n個存儲器順序排列的n個字，故也稱單體多字方式。與單體單字結(jié)構(gòu)的存儲器相比，單體多字尋址方式在存取速度方面有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因為，單體單字存儲器的每一個主存周期只能讀出一條指令或一個數(shù)據(jù)，在取指和讀取數(shù)據(jù)的周期內(nèi)，CPU處于等待狀態(tài)，因此工作效率低。在本例所示的單體4字的尋址方式中，一次能讀出4個字長為w位的數(shù)據(jù)或指令，然后再以單字長的形式送給CPU執(zhí)行。當(dāng)然，若處理的數(shù)據(jù)不是連續(xù)地存放在主存中，或者在程序中經(jīng)常使用轉(zhuǎn)移指令，單體多字尋址方式的效果就不顯著了。下一頁上一頁多個并行存儲器與同一地址寄存器連接，所以同時被一個單元地下一頁上一頁⒉多體存儲器的尋址方式下圖是多體存儲器原理圖下一頁上一頁⒉多體存儲器的尋址方式下圖是多體存儲器原理圖下一頁上一頁

計算機(jī)系統(tǒng)中的大容量主存是由多個存儲體組成的，每個存儲體都有自己的讀寫線路、地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，能以同等的方式與CPU交換信息，每個存儲體容量相等，它們既能同時工作又獨(dú)立編址。圖中MAR為模塊地址寄存器，MDR為模塊數(shù)據(jù)寄存器，主存地址寄存器的高位表示模塊號，低位表示塊內(nèi)地址。這種結(jié)構(gòu)的尋址方式有利于并行處理，能夠?qū)崿F(xiàn)多個分體的并行操作，一次訪問并行處理的n個字，不像單體方式那樣一定是沿存儲器順序排列的存儲單元內(nèi)容，而是分別由各分體的地址寄存器指示的存儲單元的內(nèi)容。因為各分體工作獨(dú)立，因此，只要進(jìn)行合理的調(diào)度，就能實現(xiàn)并行處理，兩個存儲體可以同時進(jìn)行不同的操作。例如一個存儲體被CPU訪問時，另一個存儲體可用來與外部設(shè)備進(jìn)行直接存儲器存?。―MA）操作。下一頁上一頁計算機(jī)系統(tǒng)中的大容量主存是由多個存儲

多體交叉是多體存儲器的另一種組織形式，下面以一個四體交叉存儲器的組織形式為例，來說明多體交叉存儲器的工作原理。下圖是四體交叉原理圖。下一頁上一頁⒊多體交叉尋址方式多體交叉是多體存儲器的另一種組織形式，下面以一個四體

多體交叉尋址方式與多體存儲器尋址方式不同，多體存儲器是以高位地址作為模塊號，低位地址作為體內(nèi)地址，每個模塊體內(nèi)地址是連續(xù)的；多體交叉尋址方式是以低位地址作為模塊號，高位地址作為體內(nèi)地址，各模塊間地址編號采用交叉方式。上圖所示的4個模塊M0、M1、M2、M3的編址如下表所示?？騼?nèi)序號表示存儲單元的地址編號J=0，1，2…。下一頁上一頁多體交叉尋址方式與多體存儲器尋址方式不同，多體存儲器是以

⑴地址連續(xù)的兩個單元分布在相鄰的兩個模塊中，地址按模塊號方向順序編號。⑵同一模塊內(nèi)相鄰的兩個單元地址之差等于n。例如在四體交叉存儲器結(jié)構(gòu)方式下，兩個單元地址之差等于4。⑶任何一個存儲單元的二進(jìn)制地址編號的末2位正好指示該單元所屬模塊的編號，訪問主存時只要判斷這幾位就能決定訪問的是那個存儲模塊。在四體交叉存儲器結(jié)構(gòu)方式下，M0模塊的每個單元地址的二進(jìn)制編碼最后兩位都是00，M1模塊的每個單元地址最后兩位都是01，M2模塊的每個單元地址最后兩位都是02，M3模塊的每個單元地址最后兩位都是03。

⑷同一模塊內(nèi)每個單元地址除去模塊號后的高位地址正好是模塊內(nèi)單元的順序號，由此就可決定訪問單元在模塊中的位置。下一頁上一頁n體交叉尋址方式的規(guī)則滿足以下4點(diǎn)⑴地址連續(xù)的兩個單元分布在相鄰的兩個模塊中，地址按模塊號5.5Cache存儲器5.5.1多級存儲體系結(jié)構(gòu)5.5.2Cache工作原理5.5.3主存與Cache的地址映射和地址變換5.5.4Cache的替換策略及寫操作策略5.5Cache存儲器5.5.2Cache工作原理中央處理器主存外存cacheCPUM1M2M3輔助硬件輔助軟硬件5.5.1多級存儲體系結(jié)構(gòu)為解決存儲容量、存取速度和價格之間的矛盾,通常將各種不同存儲容量、不同存取速度的存儲器,按一定的體系結(jié)構(gòu)組織起來,形成一個統(tǒng)一整體.典型的三級存儲系統(tǒng):圖5.25三級存儲系統(tǒng)示意圖中央處理器主存外存cacheCPUM1M2M3輔助輔助5.5

Cache-主存層次

Cache一般由SRAM構(gòu)成,容量小,存取速度快，依據(jù)程序局部性原理,存放的是主存中當(dāng)前最需要執(zhí)行的信息副本.

目的：主存容量不足的問題.

利用輔助硬件和操作系統(tǒng)中的存儲管理軟件,將主存和輔存構(gòu)成一個整體.目的：解決CPU和主存速度不匹配的問題.

主存-輔存層次

總體效果：存取速度接近Cache,而存儲容量接近于輔存,整體價格也較合理.Cache-主存層次Cache一般由SRAM5.5Cache存儲器5.5.1多級存儲體系結(jié)構(gòu)5.5.2Cache工作原理5.5.3主存與Cache的地址映射和地址變換5.5.4Cache的替換策略及寫操作策略5.5Cache存儲器5.5.2Cache工作原理1.問題的提出避免CPU“空等”現(xiàn)象CPU和主存（DRAM）的速度差異緩存CPU主存容量小速度高容量大速度低字塊1.問題的提出避免CPU“空等”現(xiàn)象CPU和主存（主存塊

調(diào)入

緩存主存塊與緩存塊建立

了對應(yīng)關(guān)系標(biāo)記記錄與某緩存塊建立了對應(yīng)關(guān)系的主存塊號命中未命中主存塊與緩存塊未建立對應(yīng)關(guān)系主存塊

未調(diào)入

緩存2.

Cache的命中率主存塊調(diào)入緩存主存塊與緩存塊建立了對應(yīng)關(guān)系標(biāo)記記錄命中率CPU欲訪問的信息在Cache中的比率命中率

與Cache的容量

與

塊長

有關(guān)

命中率CPU欲訪問的信息在Cache中的比率命中率命中率CPU欲訪問的信息在Cache中的比率命中率

與Cache的容量

與

塊長

有關(guān)

命中率CPU欲訪問的信息在Cache中的比率命中率Cache–主存系統(tǒng)的效率效率e

與命中率有關(guān)

設(shè)Cache命中率為h，訪問Cache

的時間為tc

，

訪問主存的時間為tm

則

e=×100%tc

h

×tc+(1－h(huán))×tm

訪問Cache的時間

平均訪問時間

e=×100%Cache–主存系統(tǒng)的效率效率e與命中率有關(guān)3.Cache的讀操作

訪問Cache取出信息送CPU

訪問主存取出信息送CPU將新的主存塊調(diào)入Cache中執(zhí)行替換算法騰出空位

結(jié)束命中？Cache滿？CPU發(fā)出訪問地址

開始是否是否3.Cache的讀操作訪問Cache訪問主存4.Cache的基本結(jié)構(gòu)Cache替換機(jī)構(gòu)Cache存儲體主存Cache地址映像變換機(jī)構(gòu)由CPU完成4.Cache的基本結(jié)構(gòu)Cache主存Cache由CPU

5.5.2Cache工作原理Cache的工作機(jī)制

Cache工作是以程序訪問的局部性原理為基礎(chǔ)的,即,一個程序的指令大都順序存放、順序執(zhí)行,與程序相關(guān)的數(shù)據(jù)在存儲器中也相對集中.所以程序運(yùn)行時,尤其有循環(huán)程序段和子程序段時,在較短時間區(qū)間內(nèi),常會對局部范圍的存儲器頻繁訪問,而此范圍之外的地址訪問甚少.這種現(xiàn)象稱為程序訪問的局部性.把局部范圍的主存內(nèi)容從主存放到一個高速小容量存儲器中,使CPU在這一段時間內(nèi)直接訪問它,以減少或不去訪問慢速的主存,程序運(yùn)行速度將明顯提高.5.5.2Cache工作原理Cache的工作機(jī)制C

2.Cache工作原理例:某機(jī)主存容量為1MB,Cache容量為8KB,若以字節(jié)編址,每512B為一塊,則主存有2048塊,Cache有16塊.塊000000H00001H…..001FFH…塊2047FFE00HFFE01H…FFFFFH主存塊00000H0001H…..01FFH…塊151E00H1E01H…1FFFH

Cache塊的概念一般將主存和Cache的存儲空間分塊,每塊大小相同,包括相同數(shù)量的存儲單元.2.Cache工作原理例:某機(jī)主存容量為1MB,CaCache構(gòu)成及工作過程CPU主存主存地址寄存器MAR主存—Cache地址變換機(jī)構(gòu)(塊表)Cache存儲器Cache地址寄存器替換控制部件ABDB單字寬多字寬不命中命中(塊)

Cache包括Cache存儲器及相應(yīng)控制部件,全部由硬件組成,速度快,對所有程序員均透明.CARCache構(gòu)成及工作過程CPU主主存主存—CacheCa

Cache命中率

設(shè)Nc為Cache完成存取的總次數(shù),Nm為主存完成存取的總次數(shù),h為命中率,則有:

設(shè)r=tm/tc表示主存慢于Cache的倍率,e表示訪問效率,則有:

高速緩存命中率:CPU訪存時,信息恰巧在Cache中的概率.h=Nc/(Nc+Nm)

若tc表示命中時的Cache訪問時間,tm表示未命中時的主存訪問時間,1-h表示未命中率,則Cache/主存系統(tǒng)的平均訪問時間ta為:ta=htc+(1-h)tm

e=tc/ta=tc/[htc+(1-h)tm]=1/[h+(1-h)r]=1/[r+(1-r)h]Cache命中率設(shè)Nc為Cache例：CPU執(zhí)行一段程序時,Cache完成存取的次數(shù)1900次,主存完成存取的次數(shù)為100次,已知Cache的存取周期為1ns,主存存取周期為5ns,求Cache/主存系統(tǒng)的效率和平均訪問時間.解：h=Nc/(Nc+Nm)=1900/(1900+100)=0.95

r=tm/tc=5ns/1ns=5e=1/[r+(1-r)h]=1/[5+(1-5)X0.95]=83.3%ta=tc/e=1ns/0.833=1.2ns例:某計算機(jī)的存儲系統(tǒng)由Cache和主存組成,某程序執(zhí)行過程中訪存1000次,其中訪問Cache缺失(未命中)50次,則Cache的命中率是().A.5%B.9.5%C.50%D.95%例：CPU執(zhí)行一段程序時,Cache完成存取的次數(shù)1900次

影響

Cache命中率的因素☆Cache的大小容量相對較大的Cache,命中率也相應(yīng)提高,但容量太大,成本會變得不合理.

☆程序的特點(diǎn)遵循局部性原理的程序在運(yùn)行時Cache的命中率也會很高,相反,在程序中頻繁且無規(guī)則地使用Call或JMP命令,將嚴(yán)重影響基于Cache的系統(tǒng)性能.

☆Cache的組織結(jié)構(gòu)

Cache組織結(jié)構(gòu)的好壞,對命中率也會產(chǎn)生較大影響.Cache的組織結(jié)構(gòu)有三種類型:全相聯(lián)映射、直接映射和組相聯(lián)映射.

影響Cache命中率的因素5.5Cache存儲器5.5.1多級存儲體系結(jié)構(gòu)5.5.2Cache工作原理5.5.3主存與Cache的地址映射和地址變換5.5.4Cache的替換策略及寫操作策略5.5Cache存儲器5.5.2Cache工作原理

5.5.3主存與Cache的地址映射和地址變換1.全相聯(lián)映射:允許主存中的每一個塊可以映射到Cache的任何一塊位置上.映射過程如下圖所示:

一.全相聯(lián)映射及其地址變換

二者密切相關(guān)--地址變換由地址映射方式?jīng)Q定.主存--Cache地址變換:程序運(yùn)行時,根據(jù)地址映射把主存地址變換成Cache地址.

主存--Cache地址映射(mapping):把存放在主存中的程序按某種規(guī)則裝入Cache中,并依此建立主存地址與Cache地址的對應(yīng)關(guān)系,即塊表.

●塊表—存放數(shù)據(jù)或指令在內(nèi)存中所在單元地址的存儲器,用于判斷Cache命中以及實現(xiàn)地址映射,其字?jǐn)?shù)等于Cache的塊數(shù).5.5.3主存與Cache的地址映射和地址變換1……塊0

塊1塊15塊0塊1塊2047Cache主存…全相聯(lián)映射

2.全相聯(lián)映射方式下的地址變換主存塊號塊內(nèi)地址

(1)主存地址格式:

(標(biāo)志字段)圖5.26全相聯(lián)映射示意圖……塊0塊1塊15塊0塊1塊2047Cache主存…全相聯(lián)例:某機(jī)主存容量為1MB,Cache容量為8KB，若以字節(jié)編址，每512B為一塊,則主存有2048塊,Cache有16塊。主存地址格式：

0000000000000000000000000000000111111111…塊號(0塊)塊內(nèi)存儲單元(0-511)…塊號(1塊)

塊內(nèi)存儲單元(0-511)0000000000100000000000000000001111111111…塊號(2047塊)塊內(nèi)存儲單元(0-511)1111111111100000000011111111111111111111……例:某機(jī)主存容量為1MB,Cache容量為8KB，若以字節(jié)Cache塊號塊內(nèi)地址

主存塊號轉(zhuǎn)換為Cache塊號,塊內(nèi)地址不變(3)地址變換(將主存地址轉(zhuǎn)換為Cache地址):

(2)Cache地址格式:…塊號(0塊)塊內(nèi)存儲單元(0-511)…塊號(1塊)

塊內(nèi)存儲單元(0-511)00010000000000001111111111…塊號(15塊)塊內(nèi)存儲單元(0-511)11110000000001111111111111……0000000000000

0000111111111Cache塊號塊內(nèi)地址主存塊號轉(zhuǎn)換為Cache塊號,塊內(nèi)地主存塊號B(標(biāo)志字段)塊內(nèi)地址WCache塊號b塊內(nèi)地址w主存塊號BCache塊號bBb??????比較命中MARCAR

圖5.27全相聯(lián)映射的地址變換塊表(塊表容量的計算：字?jǐn)?shù)等于高緩塊數(shù)，字長由主存塊數(shù)和高緩塊數(shù)決定)不命中則訪問主存注意:在全相聯(lián)映射中,主存塊號作為識別是否命中的標(biāo)志,標(biāo)志位的長度由主存塊數(shù)決定.主存塊號B(標(biāo)志字段)塊內(nèi)地址WCache塊號b塊內(nèi)地址w主字塊0字塊1字塊2C-1…標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記設(shè)Cache有2C-1塊,主存有2m-1塊,即Cache塊地址有c位,主存塊地址有m位.字塊0字塊1字塊2C-1……字塊2m-1主存地址格式：主存字塊標(biāo)記塊內(nèi)地址m位圖5.28全相聯(lián)映射的另一種常見圖解字塊0字塊1字塊2C-1…標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記設(shè)Cache有2C-

3.全相聯(lián)映射的優(yōu)缺點(diǎn)

i=jmodm(m為Cache中總塊數(shù))

映射規(guī)則:主存中任何一組的第i塊只能放入Cache的第i塊.

主存第j塊(大排塊數(shù))和Cache第i塊有如下函數(shù)關(guān)系:1.直接映射:首先,主存在分塊的基礎(chǔ)上分組,每組大小與Cache的大小相同。二.直接映射及其地址變換

(2)缺點(diǎn):塊表的查找時間長,速度慢.(1)優(yōu)點(diǎn):塊沖突概率最低,只有當(dāng)Cache中全部裝滿后,才有可能出現(xiàn)塊沖突,塊分配靈活；其中,商為主存第j塊所在主存的組數(shù),余數(shù)為在該組的塊數(shù).3.全相聯(lián)映射的優(yōu)缺點(diǎn)i=jmodm塊0塊1塊15Cache....…..0組1組127組塊0

塊1

塊15

塊16塊17

塊31

塊2047…主存塊2032塊2033圖5.29直接映射示意圖2.直接聯(lián)映射方式下的地址變換

Cache塊號

組號塊內(nèi)地址Cache塊號塊內(nèi)地址組內(nèi)塊號

(2)Cache地址格式:(1)主存地址格式:塊0Cache....…..0組1組127組塊0塊…塊號(0塊)塊內(nèi)存儲單元(0-511)…塊號(1塊)

塊內(nèi)存儲單元(0-511)00000000001

00000000000000000001

111111111…塊號(2047塊)塊內(nèi)存儲單元(0-511)11111111111

00000000011111111111

111111111……主存地址格式：00000000

000

00000000000000000

000

111111111組號(0-127)組內(nèi)塊號(0-15)…塊號塊內(nèi)存儲單元…塊號塊內(nèi)存儲單元000000000(3)地址變換(將主存地址轉(zhuǎn)換為Cache地址):Cache塊號b組號G(標(biāo)志字段)MARCache塊號b塊內(nèi)地址wCAR命中不命中訪問主存塊內(nèi)地址W比較組號GCache地址根據(jù)CAR的內(nèi)容訪問Cache

主存地址中的“組內(nèi)塊號(Cache塊號)+塊內(nèi)地址”=Cache地址注意：在直接映射中,主存組號作為識別是否命中的標(biāo)志，標(biāo)志位的長度由主存組數(shù)決定.(3)地址變換(將主存地址轉(zhuǎn)換為Cache地址):Cach3.直接映射的優(yōu)缺點(diǎn)：塊內(nèi)地址(9位)

組內(nèi)塊號(4位)組號(7位)

Cache地址格式塊內(nèi)地址(9位)

塊號(4位)解:(1)主存地址格式

(1)分別寫出主存地址格式和Cache地址格式;(2)畫出直接映射及地址變換圖;(3)主存地址為0022AH的單元在Cache中什么位置?例題:某機(jī)主存容量為1MB,Cache容量為8KB，每塊512B,如果采用直接映射,請回答:(2)缺點(diǎn):Cache的空間利用率低,塊沖突較多,命中率也低.(1)優(yōu)點(diǎn):硬件實現(xiàn)簡單,成本低.3.直接映射的優(yōu)缺點(diǎn)：塊內(nèi)地址(9位)組內(nèi)塊號(4位)組塊0塊1塊15Cache....…..0組1組塊0

塊1

塊15

塊16塊17

塊31

塊2047…塊2032塊2033127組主存7位4位9位組號G組內(nèi)塊號b塊內(nèi)地址主存地址比較組號不命中,訪問主存Cache地址01…b……15(2)直接映射及地址變換示意圖命中,MARCAR4位9位則根據(jù)CAR的內(nèi)容訪問Cache地址映射地址變換塊0Cache....…..0組1組塊0塊1塊1(3)主存地址為0022AH的單元在Cache中什么位置組(0組)組內(nèi)塊號(1塊)塊內(nèi)地址(42字)另外一種求法:

0022AH=(0000

0000001000101010)2因為主存第j塊和Cache第i塊有如下函數(shù)關(guān)系:i=jmodm(m為Cache中總塊數(shù))這里,j=1,m=16,所以i=1mod16=1(3)主存地址為0022AH的單元在Cache中什么例:設(shè)一個Cache中有8個塊,訪問主存進(jìn)行讀操作的塊地址序列為22、26、22、26、16、4、16、18,求每次訪問后Cache中的內(nèi)容.解：地址命中與否地址轉(zhuǎn)換關(guān)系

不命中22MOD8=6

不命中26MOD8=2

22命中22MOD8=6

命中26MOD8=216不命中16MOD8=04不命中4MOD8=416命中16MOD8=018不命中18MOD8=2直接映象下Cache訪問情況例:設(shè)一個Cache中有8個塊,訪問主存進(jìn)行讀操作的塊地址序

直接映象的塊分配情況訪問順序12345678地址222622261641618塊分配情況22操作狀態(tài)調(diào)進(jìn)2226調(diào)進(jìn)2226命中2226命中222616調(diào)進(jìn)2241626調(diào)進(jìn)2216264命中2216184替換直接映象的塊分配情況訪問順序123練習(xí)1.設(shè)有一個Cache的容量為2K字,每塊16字,在直接映象方式下,求:(1)該Cache可容納多少個塊?(2)如果主存的容量為256K字,則有多少個塊?(3)主存的地址格式?Cache的地址格式?(4)主存中的第032AB單元映象到Cache中哪一塊?練習(xí)2.設(shè)計算機(jī)的存儲器為64K×16位,直接地址映射的Cache容量為1K字,每塊4字,問:(1)主存中地址的標(biāo)志字段、塊號和塊內(nèi)地址字段分別有多少位？（2）Cache中可裝入多少塊數(shù)據(jù)？練習(xí)1.設(shè)有一個Cache的容量為2K字,每塊16字,在直三.組相聯(lián)映射及其地址變換n路組相聯(lián):每組中有n塊.有全相聯(lián)映射:主存第g組第i塊可映射到Cache第i組中任一塊的位置.

有直接映射:主存第g組第i塊只能映射到Cache第i組.

1.組相聯(lián)映射:Cache分成大小相等的組,各組再分成大小相等的塊.

主存在分塊的基礎(chǔ)上分組,每組塊數(shù)等于Cache組數(shù).

映射規(guī)則:Cahe分為m組,每組有n塊,則有以下關(guān)系:i=jmodm

其中,i為Cache組號,j為主存塊號(大排).商為主存第j塊所在組數(shù),余數(shù)為該組所在塊數(shù).

三.組相聯(lián)映射及其地址變換n路組相聯(lián):每組中有n塊.有全相塊0塊1塊2塊3…塊14塊150組1組7組Cache主存塊0塊1塊2塊3…塊7塊8塊15塊16塊17…塊2047…圖5.30組相聯(lián)映射示意圖同上例,采用2路組相聯(lián)…

塊90組1組…塊0塊1塊2塊3…塊14塊150組1組7組Cache主存塊

2.組相聯(lián)映射方式下的地址變換塊內(nèi)地址

(Cache組號)(1)主存地址格式:(主存字塊標(biāo)記)

(2)Cache地址格式:塊內(nèi)地址組號組內(nèi)塊號

組號組內(nèi)塊號2.組相聯(lián)映射方式下的地址變換塊內(nèi)地址(Cache組(3)地址變換(將主存地址轉(zhuǎn)換為Cache地址):塊內(nèi)地址組號組內(nèi)塊號塊內(nèi)地址

(Cache組號)(主存字塊標(biāo)記)

組號組內(nèi)塊號(3)地址變換(將主存地址轉(zhuǎn)換為Cache地址):塊內(nèi)地址主存字塊標(biāo)記組號G塊內(nèi)地址WMAR組號g組內(nèi)塊號b塊內(nèi)地址wCAR比較不命中訪問主存命中主存字塊標(biāo)記Cache組內(nèi)塊號b┇┇┇┇●●訪問Cache圖5.31組相聯(lián)映射的地址變換示意圖塊表主存字塊標(biāo)記組號G塊內(nèi)地址WMAR組號g組內(nèi)塊號b塊內(nèi)地址w

例:某計算機(jī)的Cache共有16塊,采用2路組相聯(lián)(即每組2塊).每個主存塊大小為32字節(jié),按字節(jié)編址.主存129號單元所在主存應(yīng)裝入到得Cache組號是().A.0B.2C.4D.6

例:在下列因素中,與Cache的命中率無關(guān)的是().A.Cache塊的大小

B.Cache的容量

C.主存的存取時間例:某計算機(jī)的Cache共有16塊,采用2路組相聯(lián)(即每組

例：假設(shè)主存容量為512K×16位,Cache容量為4096×16位,塊長為4個16位的字,訪存地址為字地址.(1)在直接映射方式下,設(shè)計主存地址格式.(2)在全相聯(lián)映射方式下,設(shè)計主存地址格式.(3)在2路組相聯(lián)映射方式下,設(shè)計主存地址格式.

解:(1)在直接映射方式下,Cache分4096/4=210塊,主存分219/4=217塊,主存分219/212=27組.

故主存地址格式:主存組數(shù)(7位)組內(nèi)塊數(shù)(10位)塊內(nèi)地址(2位)例：假設(shè)主存容量為512K×16位,Cache容量為409(2)在全相聯(lián)方式下,Cache分4096/4=210塊,主存分219/4=217塊.故主存地址格式:主存塊數(shù)(17位)塊內(nèi)地址(2位)

(3)在組相聯(lián)映射方式下,Cache分4096/4=210塊,2塊一組,Cache分210/2=29組;主存分219/4=217塊,每組分29塊,主存分217/29=28組.故主存地址格式:塊內(nèi)地址

(Cache組號)(主存字塊標(biāo)記)組號(8位)組內(nèi)塊號(9位)(2位)(2)在全相聯(lián)方式下,Cache分4096/4=210塊,主練習(xí)1.設(shè)有一個Cache的容量為2K字,每塊16字,在直接映象方式下,求:(1)該Cache可容納多少個塊?(2)如果主存的容量為256K字,則有多少個塊?(3)主存的地址格式?Cache的地址格式?(4)主存中的第032ABH單元映象到Cache中哪一塊?

解:(1)

Cache可容納的塊數(shù)為:2K/16=27=128(塊)(2)主存的可容納的塊數(shù)為:256K/16=214(塊)

(3)主存地址格式為:塊內(nèi)地址(4位)

組內(nèi)塊號(7位)組號(7位)

Cache地址格式為:塊內(nèi)地址(4位)

組內(nèi)塊號(7位)練習(xí)1.設(shè)有一個Cache的容量為2K字,每塊16字,在直(4)主存中的032ABH單元:032ABH=(00000011001010101011)2

6組42塊11字另外一種求法:因為主存第j塊和Cache第i塊有如下函數(shù)關(guān)系:i=jmodm(m為Cache中總塊數(shù))這里,j=29+28+25+23+21=810,m=128,所以i=1modm=810mod128=42

(4)主存中的032ABH單元:6組42塊115.5Cache存儲器5.5.1多級存儲體系結(jié)構(gòu)5.5.2Cache工作原理5.5.3主存與Cache的地址映射和地址變換5.5.4Cache的替換策略及寫操作策略5.5Cache存儲器5.5.2Cache工作原理5.5.4Cache的替換策略及寫操作策略LRU----LeastRecentlyUsedFIFO----FirstInFirstOutRAND

常用替換算法:

注意:只有全相聯(lián)和組相聯(lián)的高速緩存中有替換策略問題.

替換策略(replacementpolicy):Cache地址變換中一旦發(fā)生不命中,需將主存中一個新塊調(diào)入Cache,如果此時發(fā)生塊沖突,決定從Cache中選擇哪一個數(shù)據(jù)塊,并將其從Cache中移去,將新的數(shù)據(jù)塊寫入的方法.

一.Cache的替換策略5.5.4Cache的替換策略及寫操作策略LRU----

1.RAND算法

特點(diǎn):符合局部性原理,命中率較高.

方法:根據(jù)局部性原理選擇近期用的最少的數(shù)據(jù)塊作為替換的塊.具體做法:為每一塊設(shè)置一個計數(shù)器,當(dāng)某一塊命中時,其計數(shù)器清0,其它各塊的計數(shù)器增1,當(dāng)需要替換時,將計數(shù)值大的塊替換出.3.LRU算法

特點(diǎn):較簡單,但沒有體現(xiàn)程序局部性規(guī)律,不能提高Cache命中率.方法:選擇最早調(diào)入Cache的塊進(jìn)行替換.

2.FIFO算法

方法:隨機(jī)地確定替換塊.特點(diǎn):容易實現(xiàn),執(zhí)行速度快,但沒有體現(xiàn)程序局部性規(guī)律,不能提高Cache命中率.1.RAND算法特點(diǎn):符合局部性原理,命中二、Cache的寫操作策略

Cache內(nèi)容是主存部分內(nèi)容的副本,在命中的情況下,如果CPU對Cache寫入,改變了Cache(dirtyblock)的內(nèi)容,如何保證主存內(nèi)容與Cache內(nèi)容一致.

缺點(diǎn):當(dāng)CPU向主存寫操作時,Cache無高速緩沖功能,降低了Cache的功效.

優(yōu)點(diǎn):寫主存與寫Cache同步.

1.直達(dá)法(writethrough