cache基本知識培訓教程[1]

? 學習目標：

??? 掌握全相聯映象、直接映象以及組相聯映象的思想和特點；

??? 理解路數和組數的概念及其關系；

??? 掌握在各種映象規則的情況下Cache的查找方法；

??? 掌握隨機法、先進先出、LRU 等替換算法；

??? 理解Cache對“寫”操作的處理方法。

??? 正文：

??? 4.2.1 cache基本知識

??? 如前所述，為了填補 CPU 和主存在速度上的巨大差距，現代計算機都在 CPU 和主存之間設置一個高速、小容量的緩沖存儲器 Cache 。 Cache 對于提高整個計算機系統的性能有重要的意義，幾乎是一個不可缺少的部件。Cache 是按塊進行管理的。 Cache 和主存均被分割成大小相同的塊。信息以塊為單位調入 Cache 。相應地， CPU 的訪存地址被分割成兩部分：塊地址和塊內位移，如下所示：

???主存塊地址用于查找該塊在 Cache 中的位置，塊內位移用于確定所訪問的數據在該塊中的位置。

4.2.1映象規則

??? 一般來說，主存容量遠大于 Cache 的容量。因此，當要把一個塊從主存調入 Cache 時，就有個如何放置的問題。這就是映象規則所要解決的。映象規則有以下三種。

??? 1. 全相聯映象

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

??? 實際的 Cache 常包含幾百個塊，而主存則一般包含上百萬個塊。

2. 直接映象

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

??? 一般地，對于主存的第 i 塊（即塊地址為 i ），設它映象到 Cache 的第 j 塊，則

??? j ＝i mod ( Ｍ )

??? 其中M為 Cache 的塊數。

設 Ｍ = 2m，則當表示為二進制數時，j 實際上就是 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 中的相應塊。

??? 3. 組相聯映象

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

組相聯是直接映象和全相聯的一種折衷：一個主存塊首先是映象到唯一的一個組上(直接映象的特征)，然后這個塊可以被放入這個組中的任何一個位置（全相聯的特征）。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。

??? 設 G = 2g，則當表示為二進制數時，k 實際上就是 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Cache中的相應組。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 個塊(n＝M/G)，則稱該映象規則為 n 路組相聯。

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