Cache基础知识介绍课件

Ø什么是cache•

Cache又叫高速冲存器，位于

CPU与内存之，是一种特殊的存器子系。•

目前比常的是两极

cache构，即cache系由一高速存

L1cache和二高速存L2cache成，L1cache通常又分数据cache（I-Cache）和指令cache（D-Cache），它分用来存放数据和行些数据的指令。•

两极cache相比而言，L1cache的容量小，但数据存取速度快，L2cache的容量大，但数据存取速度慢。部分系中也存在三cache的构。•

Cache的作用就是为了提高CPU对存储器的访问速度。•

电脑的内存是以系统总线的时钟频率工作的，这个频率通常也就是CPU的外频。但是，CPU的工作频率(主频)是外频与倍频因子的乘积。这样一来，内存的工作频率就远低于CPU的工作频率了。这样造成的直接结果是：CPU在执行完一条指令后，常常需要“等待”一些时间才能再次访问内存，极大降了CPU工作效率。在这样一种情况下，cache就应运而生了。ØCache的工作原理•

CPU运行程序是一条指令一条指令地行的，而且指令地址往往是的，意思就是CPU在内存，在短的一内往往集中于某个局部，候可能会到一些需要反复用的子程序。系在工作，把些活的子程序存入比主存快得多的cache

中。•

CPU在内存，首先判断所要内容是否在cache中，如果在，称命中（hit），此CPU直接从cache中用内容；否称未命中（

miss），

CPU会通cache主存中的相内容行操作。Cache与主存之可以采取的地址映射方式有以下三种：•

全相映射方式•

直接相映射方式•映射方式地址映射：主存的任意一可以映射到cache中的任意一(1)主存与cache分成相同大小的数据。(2)主存的某一数据可以装入cache的任意一空中。点：命中率比高

，

cache存空率高。缺点：相关存器，每次要与全部内容比，速度低，成本高，因而用少。•

直接相方式地址映射

主存器中一只能映射(1)主存与cache分成相同大小的数据。(2)主存容量是cache容量的整数倍，将主存空按cache的容量分成区，主存中每一区的数与cache的

数相等。(3)主存中某区的一存入cache只能存入存中号相同的位置。点：地址映射方式，数据，只

需

区号是否相等即可，因而可以得到比快的速度，硬件(1)主存和cache按同大小划分成。(2)主存和cache按同大小划分成。(3)主存容量是cache容量的整数倍，将主存空按cache区的大小分成区，主存中每一区的数与cache的数相同。(4)当主存的数据入cache，主存与cache的号相等，也就是各区中的某一只能存入cache的同号的空内，但内

各

地

址

之

可以任意存放，

即从主存的到cache的之采用直接映射方式；•

路（way）:路是组相联映射方式的cache结构中的基本存储单位，每一路存储一个块的数据。•

组（entry）:组是组相联映射方式的cache对块进行管理的单位。•

区

（tag）

:块的地址对应的主存储器中的区。•

块内偏移地址（offset）:用来标示块内一个字节的地址。•

组相联映射方式下主存储器的地址空间由，区，组和块内偏移地址组成。•

组相联映射方式下cache的内部结构。ØCache的替算法Cache可以采用的替算法主要有以下几种：•

先入后出(FILO)算法•

随机替(RAND)算法•

先入先出(FIFO)算法•

近期最少使用(LRU)算法•

随机(RAND)法是随机地确定替的存置一个随机数生器，依据所生的随机数，确定替种方法，但命中率比低。•

先先出(FIFO)法是那个最先入的那个行替。当最先入并被多次命中的，很可能被先替，因而不部性律。种方法的命中率比随机法好些，但不足要求。•

近期最少使用(LRU)法是依据各使用的情况

，

是

那个最近最少使用的被

替种方法比好地反映了程序局部性•

提高cache的性能也就是要降低主存的平均存取主存平均存取=命中+未命中率*未命中•

提高cache的性能有以下三种方法：减少命中

，减少未命中率，减少未命中•

Cache与主存器交信息的位量（cachelinesize）。•

通化代提高

cache命中率intx[1024][4]行求和代A于数

x[i][0]（i=0…1024）的miss的，但于x[i][1]，

x[i][2]，

x[i][3]的

hit的，因此miss的次数•

当需要大量数据候，一定要注于数

x[i][0]，

x[i][1]，

x[i][2]，

x[i][3]意

内

存

的

要尽量是而且接近

cache的大小，以提高的是

miss的，他被x[i+4][0]

，cache的命中率，从而提高程序的运行效率。x[i+4][1]，

x[i+4][2]，•

在采用cache的系中，同一个数据可能既存在于cache中，也存在于主存中，两者数据相同具有一致性，数据不相同就叫做不一致。•

Cache主要有两种写策略写直达法（writethrough）和写回法（writeback）方法：在cache行写操作的同，也将内容写到主存中。点：可靠性高，操作程比。缺点：写操作速度得不到改善，与写主存的速度相同。•

写回法（writeback）方法：在CPU行写操作，只写入

cache，不写入主存。•

对于多个主设备的共享存储总线系统，如带有DMA的系统，或者多处理器系统，由于其他的主设备也可以改变主存的内容，而这种改变是cache无法得知的，因此必须对cache的一致性问题进行处理。•

可以将主存中的一地址空非cache

CPU部分地址空行直接

，不cache理

，部分