Cache基礎(chǔ)知識(shí)介紹課件

?什么是cache?

Cache又叫高速?zèng)_存器，位于

CPU與內(nèi)存之，是一種特殊的存器子系。?

目前比常的是兩極

cache構(gòu)，即cache系由一高速存

L1cache和二高速存L2cache成，L1cache通常又分?jǐn)?shù)據(jù)cache（I-Cache）和指令cache（D-Cache），它分用來存放數(shù)據(jù)和行些數(shù)據(jù)的指令。?

兩極cache相比而言，L1cache的容量小，但數(shù)據(jù)存取速度快，L2cache的容量大，但數(shù)據(jù)存取速度慢。部分系中也存在三cache的構(gòu)。?

Cache的作用就是為了提高CPU對(duì)存儲(chǔ)器的訪問速度。?

電腦的內(nèi)存是以系統(tǒng)總線的時(shí)鐘頻率工作的，這個(gè)頻率通常也就是CPU的外頻。但是，CPU的工作頻率(主頻)是外頻與倍頻因子的乘積。這樣一來，內(nèi)存的工作頻率就遠(yuǎn)低于CPU的工作頻率了。這樣造成的直接結(jié)果是：CPU在執(zhí)行完一條指令后，常常需要“等待”一些時(shí)間才能再次訪問內(nèi)存，極大降了CPU工作效率。在這樣一種情況下，cache就應(yīng)運(yùn)而生了。?Cache的工作原理?

CPU運(yùn)行程序是一條指令一條指令地行的，而且指令地址往往是的，意思就是CPU在內(nèi)存，在短的一內(nèi)往往集中于某個(gè)局部，候可能會(huì)到一些需要反復(fù)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在內(nèi)存，首先判斷所要內(nèi)容是否在cache中，如果在，稱命中（hit），此CPU直接從cache中用內(nèi)容；否稱未命中（

miss），

CPU會(huì)通cache主存中的相內(nèi)容行操作。Cache與主存之可以采取的地址映射方式有以下三種：?

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)主存與cache分成相同大小的數(shù)據(jù)。(2)主存的某一數(shù)據(jù)可以裝入cache的任意一空中。點(diǎn)：命中率比高

，

cache存空率高。缺點(diǎn)：相關(guān)存器，每次要與全部?jī)?nèi)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)主存與cache分成相同大小的數(shù)據(jù)。(2)主存容量是cache容量的整數(shù)倍，將主存空按cache的容量分成區(qū)，主存中每一區(qū)的數(shù)與cache的

數(shù)相等。(3)主存中某區(qū)的一存入cache只能存入存中號(hào)相同的位置。點(diǎn)：地址映射方式，數(shù)據(jù)，只

需

區(qū)號(hào)是否相等即可，因而可以得到比快的速度，硬件(1)主存和cache按同大小劃分成。(2)主存和cache按同大小劃分成。(3)主存容量是cache容量的整數(shù)倍，將主存空按cache區(qū)的大小分成區(qū)，主存中每一區(qū)的數(shù)與cache的數(shù)相同。(4)當(dāng)主存的數(shù)據(jù)入cache，主存與cache的號(hào)相等，也就是各區(qū)中的某一只能存入cache的同號(hào)的空內(nèi)，但內(nèi)

各

地

址

之

可以任意存放，

即從主存的到cache的之采用直接映射方式；?

路（way）:路是組相聯(lián)映射方式的cache結(jié)構(gòu)中的基本存儲(chǔ)單位，每一路存儲(chǔ)一個(gè)塊的數(shù)據(jù)。?

組（entry）:組是組相聯(lián)映射方式的cache對(duì)塊進(jìn)行管理的單位。?

區(qū)

（tag）

:塊的地址對(duì)應(yīng)的主存儲(chǔ)器中的區(qū)。?

塊內(nèi)偏移地址（offset）:用來標(biāo)示塊內(nèi)一個(gè)字節(jié)的地址。?

組相聯(lián)映射方式下主存儲(chǔ)器的地址空間由，區(qū)，組和塊內(nèi)偏移地址組成。?

組相聯(lián)映射方式下cache的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。?Cache的替算法Cache可以采用的替算法主要有以下幾種：?

先入后出(FILO)算法?

隨機(jī)替(RAND)算法?

先入先出(FIFO)算法?

近期最少使用(LRU)算法?

隨機(jī)(RAND)法是隨機(jī)地確定替的存置一個(gè)隨機(jī)數(shù)生器，依據(jù)所生的隨機(jī)數(shù)，確定替種方法，但命中率比低。?

先先出(FIFO)法是那個(gè)最先入的那個(gè)行替。當(dāng)最先入并被多次命中的，很可能被先替，因而不部性律。種方法的命中率比隨機(jī)法好些，但不足要求。?

近期最少使用(LRU)法是依據(jù)各使用的情況

，

是

那個(gè)最近最少使用的被

替種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的性能有以下三種方法：減少命中

，減少未命中率，減少未命中?

Cache與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于數(shù)

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的次數(shù)?

當(dāng)需要大量數(shù)據(jù)候，一定要注于數(shù)

x[i][0]，

x[i][1]，

x[i][2]，

x[i][3]意

內(nèi)

存

的

要盡量是而且接近

cache的大小，以提高的是

miss的，他被x[i+4][0]

，cache的命中率，從而提高程序的運(yùn)行效率。x[i+4][1]，

x[i+4][2]，?

在采用cache的系中，同一個(gè)數(shù)據(jù)可能既存在于cache中，也存在于主存中，兩者數(shù)據(jù)相同具有一致性，數(shù)據(jù)不相同就叫做不一致。?

Cache主要有兩種寫策略寫直達(dá)法（writethrough）和寫回法（writeback）方法：在cache行寫操作的同，也將內(nèi)容寫到主存中。點(diǎn)：可靠性高，操作程比。缺點(diǎn)：寫操作速度得不到改善，與寫主存的速度相同。?

寫回法（writeback）方法：在CPU行寫操作，只寫入

cache，不寫入主存。?

對(duì)于多個(gè)主設(shè)備的共享存儲(chǔ)總線系統(tǒng)，如帶有DMA的系統(tǒng)，或者多處理器系統(tǒng)，由于其他的主設(shè)備也可以改變主存的內(nèi)容，而這種改變是cache無法得知的，因此必須對(duì)cache的一致性問題進(jìn)行處理。?

可以將主存中的一地址空非cache

CPU部分地址空行直接

，不cache理

，部分