存储系统-------cache

Posted 2020-09-01 不说谎的匹诺曹

1.目的

　　解决CPU与主存速度不匹配 的问题。

2.工作原理

　　CPU发出访存地址。地址格式为 主存地址格式。

　　访存地址被cache与主存同时接受。cache接受前经过地址映射与转换机构，用于判断是否命中。

　　　　若命中，直接从cache取出数据；

　　　　若未命中，从主存提取数据，并将数据装入cache。（若cache空间不足，设计替换策略）

　　CPU与cache和主存间交换数据以 字/字节 为单位

　　cache与主存之间交换数据以 块为单位

3.地址映射：

　　全相联映射， 直接映射， 组相联映射

 

　　1）.全相联映射

　　　　? 主存与cache 块间随机映射

　　　　? 最灵活，cache利用率最高，成本最高

　　　　? 主存地址 = 块地址（高m位） + 块内地址（低n位）

　　　　　cache地址 = 块地址（高c位） + 块内地址（低n位）

　　　　?目录表 记录映射关系：

　　　　　　　　主存块号  -  cache 块号  - 有效位

　　2）.直接映射

　　　　? 主存块映射到cache固定块，主存按照cache大小分区，区内块数相同。映射关系： j = i % 2^c

　　　　? 简单，快。不灵活

　　　　? 主存地址 = 区号（高t位） + 区内块号（中c位） + 块内地址（低n位）

　　　　　cache地址 = 块地址（高c位） + 块内地址（低n位）

　　　　?区表 记录映射关系：

　　　　　　　　区号  - 有效位

　　　　?备注

　　　　　　?主存第 i 块 调入cache 第 i 块

　　　　　　?主存与cache块号相同，使得在登记区表时，只需记录块所在区号

　　　　　　?访存地址 块号 字段存储块号 i ，在区表的第 i 个存储字（表示cache第 i 块）中取出区号，与访存地址区号字段比较。

　　　　　　?cache 共 2^c 块，区表共 2^c 个存储字

　　3）.组相联映射

　　　　? 主存按cache大小分区，与cache按相同大小区内分组，组内块数相同。组间直接映射，组内全相联映射。

　　　　? 主存地址 = 区号（s位） + 组号（U位） + 组内块号（v‘位） + 块内地址（低n位）

　　　　　cache地址 = 组号（U位） + 组内块号（v位） + 块内地址（低n位）

　　　　?块表 记录映射关系：

　　　　　　　　区号  - 组号  -  组内块号  -  有效位

　　　　?备注

　　　　　　?区号组号共同作为判断命中标志

4.替换算法

　　1）.cache无空间时，替换出旧块，装入新块。

　　2）.

　　　　?随机算法（RAND法）：

　　　　　　不考虑块使用情况，随机替换

　　　　　　易实现，速度快。降低命中率和cache工作效率。

　　　　?先进先出法（FIFO）：

　　　　　　不考虑块使用情况，先进者先被替换。

　　　　　　装入块计数为0，其他块计数加一，替换计数最大者

　　　　?最近最少未使用（LRU）：

　　　　?最不经常使用（LFU）：

　　　　　　替换后，所有计数器清零

　　　　　　替换计数最小者

5.写回策略

　　1).保证一致性：

　　　　CPU写cache，未及时写主存；

　　　　I/O写主存，为及时写cache。

　　2）.写策略：

　　　　?写直达（Write through）

　　　　　　写cache同时写主存；

　　　　　　频繁访存，降低平均访存时间

　　　　　　使用  不按写分配法（cache不命中，只写主存）

　　　　?写回法（Write Back）

　　　　　　简单写回（不管是否更新，一律写回） 、 标志位写回（只写回更新过的块）

　　　　　　使用  按写分配法（cache不命中，写主存后，装入cache）