北交组成原理4-4课件

4.3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运行的局部性原理：空间局部性：指当处理机访问某个存储单元时，该存储单元附近的存储单元最有可能被随后访问；时间局部性：指当处理机访问某个存储单元时，该存储单元最有可能被再次访问。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012m－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－1012c－1标记Cache缓存块号4.3(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4~8个字4.3Cache命中率

h=Nc/(Nc+Nm)Nc:访问Cache的次数Nm：访问主存的次数设访问Cache

的时间为tc

，访问主存的时间为tm，

1-h表示未命中率，主存系统的平均访问时间ta为

ta=h

tc+(1-h)tm平均访问时间ta(4)Cache–主存系统的效率效率e

与命中率有关4.3则

e=×100%

tc

h

×

tc+(1－h)×tm访问Cache的时间平均访问时间

e=×100%P111例4.73.Cache的基本结构由CPU完成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

开始是否是否读5.Cache的改进(1)增加Cache的级数片载（片内）Cache片外Cache(2)统一缓存和分立缓存指令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Pentium8K指令Cache8K数据CachePowerPC62032K指令Cache

32K数据Cache4.3标记此行为主存中哪一组（32组）的相应块，标记的位数t=LOG2(主存的组数）主存的组数=(主存的块数/CACHE的块数）=256/8=32组P117（先找组内的块）位置然后再比较组组

字块2m－1

字块2c+1

字块2c+1－1

字块2c

+1

字块2c

字块2c－1

字块1字块0………主存储体字块1

标记字块0

标记字块2c－1标记Cache存储体t位012c－1…字块字块地址主存字块标记t

位c

位b

位主存地址比较器（t位）=≠不命中有效位=1？*m位

Cache内地址否是命中

直接映射i=j

mod

C

字块2c+1

字块2c字块0字块0主存256块m？Cache=8块，c=?t=?i缓存块号2.全相联映射主存

中的任一块

可以映射到缓存

中的任一块字块2m－1字块2c－1字块1

字块0……字块2c－1字块1字块0…标记标记标记主存字块标记

字块内地址主存地址b位Cache存储器主存储器

字块04.3主存256块，标记=？位3.组相联映射P120例4.8假设主存容量为512KB，cache容量为4KB，每个字块为16个字，每个字为32位。（1）Cache地址有多少位？可容纳多少块？（2）主存地址有多少位？可容纳多少块？（3）在直接映射方式下，主存的第几块映射到Cache中的第五块（设起始字块为第一块）？（4）画出直接映射方式下主存地址字段中各段的位数。

（1）212=4KB;一个字块内有16*4=64B,4KB/64B=64块（2）219=512KB;512KB/64B=8192块（3）主存分组8192/64=128每组的第五块（4）主存字块标记 缓存字块地址 字块内地址7 66例4.9设主存容量为512K×16位，Cache容量为4K×16位字，块长为4个16位的字，访存地址为字地址。（1）在直接映射方式下，设计主存地址格式。（2）在全相联映射方式下，设计主存地址格式。（3）在两路组相联映射方式下，设计主存地址格式。（4）若主存容量为512K×32位，块长不变，在四路组相联映射方式下，设计主存地址格式。字块内地址组地址主存字块标记（1）7102（2）172（3）892（4）1082块长4Cache1K块主存128K块例4.11P122设某机容量为16MB,CACHE的容量为8KB。每字块有8个字，每字32位。设计一个四路组相联映射的CACHE组织。（1）画出主存地址字段中各段的位数。（2）设CACHE初态为空，CPU依次从主存第0，1，2…，99号单元读出100个字（主存一次读出一个字），并重复此次序读10次，问命中率是多少？(3)若Cache的速度为主存的5倍，试问有Cache和无Cache相比，速度提高多少倍？（4）系统的效率是多少？

字块内地址组地址主存字块标记