计算机组成原理 王道考研2021 第三章：存储系统 -- 高速缓冲存储器Cache基本概念和原理（程序访问的局部性原理）Cache和主存的映射方式替换算法写策略

Posted 2021-12-29 CodeJiao

1. 高速缓冲存储器Cache基本概念和原理

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1.1 Cache工作原理

如果你在视频聊天，那么这时候CPU主要访问的是视频聊天相关的代码，那么这时候我们就可以吧视频聊天相关的代码放入Cache中（速度和CPU接近），来提升CPU访问内存速度。

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1.2 程序访问的局部性原理

程序访问的局部性原理包括时间局部性和空间局部性。时间局部性是指在最近的未来要用到的信息，很可能是现在正在使用的信息，因为程序中存在循环。空间局部性是指在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程序访问的局部性原理，把程序中正在使用的部分存放在一个高速的、容量较小的Cache中，使CPU的访存操作大多数针对Cache进行，从而大大提高程序的执行速度。

例题：

假定数组元素按行优先方式存储，对于下面的两个函数；

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1.3 性能分析

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1.4 其他概念

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1.5 有待解决的问题

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2. Cache和主存的映射方式

Cache行中的信息是主存中某个块的副本，地址映射是指把主存地址空间映射到Cache地址空间，即把存放在主存中的信息按照某种规则装入 Cache。

由于Cache行数比主存块数少得多，因此主存中只有一部分块的信息可放在Cache中，因此在 Cache中要为每块加一个标记，指明它是主存中哪一块的副本。该标记的内容相当于主存中块的编号。为了说明Cache行中的信息是否有效，每个Cache行需要一个有效位。

地址映射不同于地址变换。地址变换是指CPU在访存时,将主存地址按映射规则换算成Cache地址的过程。地址映射的方法有以下3种。

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2.1 全相联映射

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2.2 直接映射

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2.3 组相联映射

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3. Cache替换算法

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3.1 替换算法要解决的问题

替换算法只会运用于全相联映射和组相联映射。

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3.2 随机算法（RAND）

随机算法（RAND，Random)：随机地确定替换的Cache块。它的实现比较简单，但未依据程序访问的局部性原理，因此可能命中率较低。

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3.3 先进先出算法（FIFO)

先进先出算法(FIFO，First ln First Out)：选择最早调入的行进行替换。它比较容易实现，但也未依据程序访问的局部性原理，因为最早进入的主存块也可能是目前经常要用的。

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3.4 近期最少使用算法（LRU)

替换过程：

计数器的变化规则:

算法缺点：

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3.5 最不经常使用算法（LFU)

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4. Cache写策略

因为Cache 中的内容是主存块副本，当对Cache中的内容进行更新时，就需选用写操作策略使Cache内容和主存内容保持一致。此时分两种情况。

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4.1 写命中

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4.2 写不命中

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