cache基本知識(shí)培訓(xùn)教程[1]

? 學(xué)習(xí)目標(biāo)：

??? 掌握全相聯(lián)映象、直接映象以及組相聯(lián)映象的思想和特點(diǎn)；

??? 理解路數(shù)和組數(shù)的概念及其關(guān)系；

??? 掌握在各種映象規(guī)則的情況下Cache的查找方法；

??? 掌握隨機(jī)法、先進(jìn)先出、LRU 等替換算法；

??? 理解Cache對(duì)“寫”操作的處理方法。

??? 正文：

??? 4.2.1 cache基本知識(shí)

??? 如前所述，為了填補(bǔ) CPU 和主存在速度上的巨大差距，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都在 CPU 和主存之間設(shè)置一個(gè)高速、小容量的緩沖存儲(chǔ)器 Cache 。 Cache 對(duì)于提高整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能有重要的意義，幾乎是一個(gè)不可缺少的部件。Cache 是按塊進(jìn)行管理的。 Cache 和主存均被分割成大小相同的塊。信息以塊為單位調(diào)入 Cache 。相應(yīng)地， CPU 的訪存地址被分割成兩部分：塊地址和塊內(nèi)位移，如下所示：

???主存塊地址用于查找該塊在 Cache 中的位置，塊內(nèi)位移用于確定所訪問(wèn)的數(shù)據(jù)在該塊中的位置。

4.2.1映象規(guī)則

??? 一般來(lái)說(shuō)，主存容量遠(yuǎn)大于 Cache 的容量。因此，當(dāng)要把一個(gè)塊從主存調(diào)入 Cache 時(shí)，就有個(gè)如何放置的問(wèn)題。這就是映象規(guī)則所要解決的。映象規(guī)則有以下三種。

??? 1. 全相聯(lián)映象

??? 全相聯(lián)是指主存中的任一塊可以被放置到 Cache 中的任意一個(gè)位置的方法。如圖4.2.1所示。

??? 實(shí)際的 Cache 常包含幾百個(gè)塊，而主存則一般包含上百萬(wàn)個(gè)塊。

2. 直接映象

??? 直接映象是指主存中的每一個(gè)塊只能被放置到 Cache 中唯一的一個(gè)位置，如圖4.2.2所示。圖中帶箭頭的虛線表示映象關(guān)系。

??? 一般地，對(duì)于主存的第 i 塊（即塊地址為 i ），設(shè)它映象到 Cache 的第 j 塊，則

??? j ＝i mod ( Ｍ )

??? 其中M為 Cache 的塊數(shù)。

設(shè) Ｍ = 2m，則當(dāng)表示為二進(jìn)制數(shù)時(shí)，j 實(shí)際上就是 i 的低 m 位，如下所示：

??? 因此，可以直接用主存塊地址的低 m 位去選擇直接映象 Cache 中的相應(yīng)塊。

??? 3. 組相聯(lián)映象

??? 組相聯(lián)是指主存中的每一塊可以被放置到 Cache 中唯一的一個(gè)組中的任何一個(gè)位置（Cache 被等分為若干組，每組由若干個(gè)塊構(gòu)成）。

組相聯(lián)是直接映象和全相聯(lián)的一種折衷：一個(gè)主存塊首先是映象到唯一的一個(gè)組上(直接映象的特征)，然后這個(gè)塊可以被放入這個(gè)組中的任何一個(gè)位置（全相聯(lián)的特征）。組的選擇常采用位選擇算法，即：若主存第 i 塊映象到 Cache 的第 k 組，則

??? k ＝i mod ( G )

??? 其中 G 為 Cache 的組數(shù)。

??? 設(shè) G = 2g，則當(dāng)表示為二進(jìn)制數(shù)時(shí)，k 實(shí)際上就是 i 的低 g 位，如下所示：

??? 因此，可以直接用主存塊地址的低 g 位去選擇組相聯(lián)Cache中的相應(yīng)組。這里的低 g 位以及上述直接映象中的低 m 位通常稱為索引。

??? 如果每組中有 n 個(gè)塊(n＝M/G)，則稱該映象規(guī)則為 n 路組相聯(lián)。

??? n 的不同取值構(gòu)成了一系列不同相聯(lián)度的組相聯(lián)。直接映象和全相聯(lián)實(shí)際上是組相聯(lián)的兩種極端情況。表4.2中列出了各種情況下，路數(shù) n 和組數(shù) G 的取值。表中 Ｍ 為 Cache 的塊數(shù)。