计算机组成原理层次存储结构

Posted 2023-02-24 辣椒油li

文章目录

• 前言
• 一、缓存Cache的基本概念
• • 1、 直接映射
  • 2、组相联
  • 3、全相联
• 二、分级cache
• 三、写数据的两种策略
• 四、cache的两种类型
• 总结

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前言

最近在阅读《计算机组成与设计 硬件/软件接口（原书第5版）》这本书，它的讲解由浅入深，对计算机底层的硬软件进行了详细介绍，内容清晰且层次分明，是可以反复阅读的计算机书籍。

注意：这一版的《计算机组成与设计》是基于目前最火的开源指令集RISC-V编写的，也是与时俱进了。

本文的内容是阅读该书第5章——大而快：层次化存储 后，自己的简单记录，希望大家在阅读后能对计算机存储层次有初步的理解。

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一、缓存Cache的基本概念

缓存是处于寄存器与内存之间的一层存储。

指令执行时需要从内存中读取或向内存写入数据（即流水线中的“访存”），这一过程需要耗费几十上百的时钟周期，为了加快存取数据的速度，引入缓存的概念。

缓存中存放内存的一部分数据，执行指令时先在缓存中查找，若缓存中有所需地址的数据（称为“命中”，同时把在cache中未找到目标块称为“失效”），就直接从缓存中读取即可。

缓存的读写速度很快，因此能提高速度。我们将地址连续的内存数据分成很多小块，向缓存中存放时以块为单位。

内存数据映射到缓存中的方式有三种，分别是直接映射、组相联和全相联。

1、 直接映射

直接映射是指内存中每个地址数据在缓存中都有唯一的存放位置，映射方式如下：

我们将上面取余的结果称为缓存的索引（即index），每个块都能找到确定的index存放。

但是当两个块地址的低几位相同时，就会出现这两个块地址映射的index相同的情况，这时就要在缓存中增加标签tag来区分当前的index中存放的到底是哪个块数据。这个tag其实就是块地址中未用于index的高几位地址，比如上图中块地址的前两位就是该块的tag。

为了方便指示cache中某块是否存有有效数据，我们给每个块增加一个有效位（valid）。当有效位显示无效时，就认为缓存的该块中没有数据（即前文所说的“失效”），进而会从内存中找到对应数据放过来。

index，tag，data和valid就是缓存中的核心内容

Cache的整体结构如下图所示，地址是64位，一个数据块中有32bit数据，即有四个字节，因此用地址的最低两位用来指示块中的字节偏移。index则用了地址中的第$2-11$位这10bit，因此这个cache中有1024个数据块（即1024行）。

前文介绍了tag的作用是指示该数据块中存放的具体是哪个地址的块，因此其tag是除了index与块内偏移之外的其他地址位，即64位地址中的第$12-63$位这52bit。

Data这一列用于存放块内的数据：

这里插一句：计算机中一个地址只存储一个字节（8 bits），一个块中会存储连续几个地址的数据，而在读取数据时都是按块读取的，所以一次会读出多个字节，一般情况下RISC-V可以使用不同的指令来读出一个双字或一个字或一个字节（1字=4字节）。上图中一个块的数据大小就是1字。

Cache的命名规范中只考虑数据的大小，而不考虑valid、tag所占空间。比如上图中的cache的命名是4KiB cache（$2^{10}\times 2^2$ Byte）。

2、组相联

为了降低失效率（具体为何能降低参看原书），提出了新的内存到cache的映射方式，即组相联。组相联是将cache中的块分组，给每个组一个编号index，在映射内存地址时按照直接映射的方式计算，将内存中一个块映射到cache中的对应组中，但是块在组内的位置是任意的，即内存块的组号为：

将每个数据块有n个位置可放置的组相联称为n路组相联。

这样的方式导致在cache中查找某块时，需要用该块的tag在对应组内和每个位置的tag进行比较，为了减少比较时间，一般会为每个cache表项配置一个比较器，以实现并行比较，但增加了硬件开销。

3、全相联

全相联是一种特殊的组相联，它将一个cache分成一个组，每个内存块都可以放在cache的任意位置。因此在找块时，需要将目标块的tag与cache中每个表项的tag都比较一遍，这样硬件开销会更大，但能降低失效率。直接映射也是一种特殊的组相联，相当于每个组中只有一个表项。三种映射方式对比如下：

二、分级cache

这里对分级缓存不做过多介绍，大家可以在网上搜相关文章，也有很多~

为了减少失效损失，通常会使用分级cache，即常见的L1 cache、L2 cache、L3 cache。

2级缓存更关注降低失效率，因此比1级缓存的块更大，且相联度更高；1级缓存更关注减小失效损失，因此缓存块较小。访问时，前一级缓存失效就会访问后一级缓存，如果最后一级缓存还是失效才会访问内存交换数据块。

三、写数据的两种策略

我们有时需要向内存写入数据，由于缓存的存在，我们对数据的修改都会先写到缓存中，之后再以某种方式更新内存中对应块的数据。一般有两种策略：

1. 写穿透：即在修改cache中数据时，同时修改内存中的对应数据。为提高效率，会使用写缓冲来存放等待被写入内存的数据。数据写入cache时同时写入写缓冲，再从写缓冲向内存写入数据。
2. 写回：即在数据写入时先只写入cache，直到cache中的块被交换出去时，才把这个块的数据写入内存。

请大家记住这两种策略的概念，在内存管理中很重要！

四、cache的两种类型

I-cache用来缓存指令，D-cache用来缓存数据。

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总结

本文主要介绍了层次存储结构中缓存的的基本概念，相关文章的链接如下：

【计算机组成原理】流水线式指令执行

【计算机组成原理】层次存储结构（二）