第四章第五节虚拟存储器课件.ppt
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1、第六节 高速缓冲存储器Cache,存储系统的层次结构,一、高速缓冲存储器与内存CPU的关系,二、cache存储器工作原理:,1、局部性原理:在一个较短的时间间隔内,地址往往集中在存储器逻辑地址空间的很小范围内。程序地址的分布本来就是连续的,再加上循环程序段和子程序段要重复执行多次,因此,对程序地址的访问就自然地具有相对集中的倾向。数据分布的这种集中倾向不如指令明显,但对数组的存储和访问以及工作单元的选择都可以使存储器地址相对集中。这种对局部范围的存储器地址频繁访问,而对此范围以外的地址则访问甚少的现象就称为程序访问的局部性。,2、高速缓冲存储器:根据局部性原理,可以在主存和CPU之间设置一个高
2、速的容量相对较小的存储器,如果当前正在执行的程序和数据存放在这个存储器中,当程序运行时,不必从主存储器取指令和取数据,而访问这个高速存储器即可,所以提高了程序运行速度,这个存储器称作高速缓冲存储器(cache)。,3、命中率:命中率:指CPU所要访问的信息在cache中的比率;失效率:所要访问的信息不在cache中的比率。一般来说,cache的存储容量比主存的容量小得多,但不能太小,太小会使命中率太低;也没有必要过大,过大不仅会增加成本,而且当容量超过一定值后,命中率随容量的增加将不会有明显地增长。,4、替换算法:在从主存读出新的字块调入cache存储器时,如果遇到cache存储器中相应的位置
3、已被其他字块占有,那么就必须去掉一个旧的字块,让位于一个新的字块。这种替换应该遵循一定的规则,最好能使被替换的字块是下一段时间内估计最少使用的。这些规则称为替换策略或替换算法,5、cache的基本结构:,三、cache存储器组织:,为了把信息放到cache存储器中,必须应用某种函数把主存地址映像到cache,称作地址映像。在信息按照这种映像关系装入cache后,执行程序时,应将主存地址变换成cache地址,这个变换过程叫做地址变换。地址的映像和变换是密切相关的。假设主存储器空间被分为Mm(0),Mm(1),Mm(i),Mm(2m-1)共2m个块,字块大小为2b个字;cache存储空间被分为Mc
4、(0),Mc(1),Mc(j),Mc(2c-1)共2c个同样大小的块。,(1)直接映像设主存空间被分为:Mm(0),Mm(1),Mm(i),Mm(2m-1)共2m个块,字块大小为2b个字节;cache空间被分为:Mc(0),Mc(1),Mc(j),Mc(2c-1)共2c个同样大小的块。直接映像函数可定义为:j=i mod 2c其中,j是cache的字块号,i是主存的字块号,2c是cache中块的个数。在这种映像方式中,主存的第0块,第2c块,第2c+1块,只能映像到cache的第0块;而主存的第1块,第2c+1块,第2c+1+1块,只能映像到cache的第1块。直接映像的优点是实现简单,只需利
5、用主存地址按某些字段直接判断,即可确定所需字块是否已在cache存储器中。在直接映像方式中,主存和cache中字块的对应关系如下图所示。,主存与cache中块的对应关系,直接映像cache组织,例:假设主存空间被分为32个块(2m=32),cache空间被分为4个块(2c=4),每个字块4个字节。主存地址位数为7位。,映射关系:根据j=i mod 2c有:0 mod 4=0、4 mod 4=0、8 mod 4=0、12 mod 4=0、16 mod 4=0、20 mod 4=0、24 mod 4=0、28 mod 4=0,所以:主存的第0,4,8,12,16,20,24,28块只能映射到cac
6、he的第0块中;1 mod 4=1、5 mod 4=1、9 mod 4=1、13 mod 4=1、17 mod 4=1、21 mod 4=1、25 mod 4=1、29 mod 4=1,所以:主存的第1,5,9,13,17,21,25,29块只能映射到cache的第1块中;主存的第2,6,10,14,18,22,26,30块只能映射到cache的第2块中;主存的第3,7,11,15,19,23,27,31块只能映射到cache的第3块中;,例:假设主存空间被分为32个块(2m=32),cache空间被分为4个块(2c=4),每个字块4个字节。主存地址位数为7位。,基本思想:把主存分为若干页,每
7、页大小与cache存储器容量相同,每页的第一块对应cache中的第一块,每页的第二块对应cache中的第二块,每页的第三块对应cache中的第三块,依次类推。在存储系统中,cache的每一块都可以有多个主存页的块与之对应,cache中的标记存储体用于存放主存的页号,数据存储体用于存储主存的数据块。,判断是否命中:,例、有一主存容量为16MB,cache容量为64KB的直接映像高速缓存系统,其高速缓存结构如下图所示:,页内字块地址,把16MB主存分为256页,每一页64KB,64KBcache分为16K个4字节数据块,设CPU要取地址为12FFE8H的数据,cache系统进行如下操作:(1)、c
8、ache控制器取主存地址12FFE8H(000100101111111111101000)中的14位cache字块地址(11111111111010),以此值选中cache中的一个字块;(2)、cache控制器将主存地址的高8位12H(00010010)与cache中块地址为11111111111010的块的标记值相比较,若相等,且有效位为1,则命中,否则没有命中。,(2)全相联映像全相联映像方式是最灵活但成本最高的一种方式,如下图所示。,全相联映像cache组织,例:设一个大小规模为64KB的全相联告诉缓存系统,每个数据块4字节,内存有1M字节。,主存地址为00000000000000000
9、100的数据块,其内容为F0000000H,放在cache数据存储体的第二个位置。,查找过程:主存地址被分成两部分,底位为块内地址,高位为标记,为了判断被访问字所在的快是否在cache中,必须把CPU提供的主存地址码中标记与cache中每一块的标记进行比较。,(3)组相联映像组相联映像方式是直接映像和全相联映像方式的一种折衷方案。组相联映像cache组织如下图所示。组间采用直接映像,组内的字块为全相联映像:设把cache字块分为2c组,每组包含2r个字块,主存字块Mm(i)(0 i 2m-1,主存有2m个字块)到cache字块Mc(j)(0 j 2c-1,cache有2c个字块)的映像函数为:
10、j=(i mod 2c)*2r+k(0 k2r-1)组号组相联映像方式的性能与复杂性介于直接映像与全相联映像两种方式之间。当r=0时,它就成为直接映像方式;当r=c时,就是全相联映像方式。cache的命中率除了与地址映像的方式有关外,还与cache的容量有关。cache容量大,命中率高,但达到一定容量后,命中率的提高就不明显了。,组相联映像cache组织,组数:Cache字块数2c,每组块数为2r,则组数:2c/2r=2c-r,例:设把cache分为4(c=2)个组,每组4(r=2)字块,每块32位,主存有32块:第0组:由0、1、2、3字块组成;第1组:由4、5、6、7字块组成;第2组:由8
11、、9、10、11字块组成;第3组:由12、13、14、15字块组成;,主存块:i=0时:j=(0 mod 4)*4+k(0 k4-1)=0+(0,1,2,3)=0,1,2,3i=1时:j=(1 mod 4)*4+k(0 k4-1)=4+(0,1,2,3)=4,5,6,7i=2时:j=(2 mod 4)*4+k(0 k4-1)=2+(0,1,2,3)=8,9,10,11i=3时:j=(3 mod 4)*4+k(0 k4-1)=12+(0,1,2,3)=12,13,14,15i=4时:j=(0 mod 4)*4+k(0 k4-1)=0+(0,1,2,3)=0,1,2,3i=5时:j=(1 mod
12、4)*4+k(0 k4-1)=4+(0,1,2,3)=4,5,6,7i=6时:j=(2 mod 4)*4+k(0 k4-1)=2+(0,1,2,3)=8,9,10,11i=7时:j=(3 mod 4)*4+k(0 k4-1)=12+(0,1,2,3)=12,13,14,15,访问:根据主存地址的“cache组地址”字段访问cache,并将主存字块标记(t+r位)与cache同一组的2r个字块标记比较。,例、有一主存容量为16MB,cache容量为64KB的二路组相联映像高速缓存系统(r=1,2r=2)每组为两块,每个数据块4个字节,其高速缓存结构如下图所示:,寻找地址为:00FFFDH的数据,
13、四、替换算法当新的主存字块需要调入cache存储器而它的可用位置又已被占满时,就产生替换算法问题。先介绍两种替换算法:先进先出(FIFO)算法和近期最少使用(LRU)算法。,2、LRU算法是把一组中近期最少使用的字块替换出去。这种替换算法需随时记录cache存储器中各个字块的使用情况,以便确定那个字块是近期最少使用的字块。LRU替换算法的平均命中率比FIFO要高,并且当分组容量加大时,能提高LRU替换算法的命中率。LRU是最常使用的一种算法。其设计思想是把组中各块的使用情况记录在一张表上。,1、FIFO算法总是把一组中最先调入cache存储器的字块替换出去,它不需要随时记录各个字块的使用情况。
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