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图片来源：南京大学软件学院COA课程PPT

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文章目录

• 9 高速缓冲存储器（Cache）
• Cache的设计要素
• • 一、cache容量
  • 二、映射功能
  • • 1.直接映射
    • 2.关联映射
    • 3.组关联映射（介于前面两种方法之间）
  • 三、替换算法
  • • 1.最近最少使用算法（LRU）
    • 2.先进先出算法（FIFO）
    • 3.最不经常使用算法（LFU）
    • 4.随机替换算法（Random）
  • 四、写策略
  • • 1.写直达
    • 2.写回法
  • 五、行大小
  • 六、cache数目
  • 总结
  • 总结

9 高速缓冲存储器（Cache）

大部分是集成在CPU内部的，存放的还是主存内的信息，是主存内部分信息的副本

如果不在cache中，那么会将包含这个字的固定大小的块读入cache，然后再从cache中把这个字传给CPU

cache中除了要存内容，还得存这个内容的位置，因为CPU是通过位置来访问主存中的内容的，而不关心其中的内容。

cache不是存放了完整的位置，而是通过tags标记来对应内容在内存中的位置

如果大部分时间都是未命中，那么使用cache后反而时间会更慢，而事实上cache很好的处理了内存墙问题，因此大部分情况应当是命中的

这是由于程序访问的局部性原理，即CPU总是会频繁的访问相同位置或者是相邻位置的内容：

• 时间局部性：在相对短时间内，重复访问相同位置的信息
• 空间局部性：在相对短时间内，会访问相邻存储位置的数据
  • 顺序局部性：相邻位置的按顺序的，如访问数组

注意这个块是事先就在内存中划分好了（哪一部分属于哪个块都是确定的），要哪个字时，只要把这个字的所在块搬过去，而不是临时从这个字开始再划分块

所以只要想要访问的字所属的块在cache中，那么这个字就在cache中，因此只要对每个块做一个标记（块号）就可以知道有没有命中

cache中每一行是一个块，记录了块的标记和块中的K个字

T_A的两个式子，是两种不同的理解，第一行是分为命中和未命中来理解，第二行是分成check检查阶段和到主存取数据阶段来理解的，一般第二行使用更多

Tc很快，Tm相对慢，因此Tc/Tm是比较小的值，所以p是相对很小时就能满足条件。但事实上这个条件虽然小也很难满足，因为cache容量远小于主存容量，p实际上按概率来算应该是cache的容量/主存容量，是非常小的，但之所以能满足，就是因为前面提到的局部性原理

Cache的设计要素

一、cache容量

cache容量不是越大越好，也不是越小越好。

• 因为内存是以地址来寻找的，所以直接解码地址就能找到要的信息，而cache则是通过遍历来找的（遍历块的标号），所以如果cache很大的话，会导致遍历检查的时间增加，增大了T_c。
• 如果cache很小的话，则可能出现从内存中复制的新的块把原来cache中的块覆盖后，又需要原来的块中的内容，因此又需要从内存中复制到cache，浪费时间

二、映射功能

cache中记录的是块号，块号要能反映地址

块内地址：如果一个块内有K个字节，那么地址的后log₂K位表示块内地址

而cache中分辨不同块的标记可以直接使用块号来作为标记，但这样会造成一些浪费（块号不是我们想要的信息），因此就要去想怎么尽可能缩短标记的长度

1.直接映射

比如0~7块只能放到第一行，8~15块只能放到第二行，因此如果加载了第2个块，想再加载第3个块，那么第3个块会把第二个覆盖

如上图$i=jmodC$是间隔的把块规定放到同一行，而不是上面的连续的几个块都只能在一个行中，显然下面这种更合理，因为局部性原理，访问相邻块的概率更大，因此间隔的放，可以把连续的块都加载到cache中，而不会出现上面的覆盖情况

映射到同一行的块号（二进制表示）的后log2Clog_2Clog2​C位都是一样的

因此只要比较块号的前面log2M−log2Clog_2M-log_2Clog2​M−log2​C位即可（M是块的数量，C是cache中行的数量）相当于把C个块当作一个组，只要记录这个组的地址即可

再看主存中一个具体的字节，它在主存的地址可以被分成三个部分：

• 块内地址（用于块内寻址）
• 块映射到cache的行号
• 若干个块分为一个组对应的标号，用于区分映射到相同行的不同块，记录为cache标号

• 优点：因为块映射到cache中的行的位置是固定的，因此检查时，只要去找这一行中有没有要的数据即可，而不必全部搜索一遍，所以T_c是固定的，不会因cache容量增大而使得T_c变大
• 缺点：抖动现象：如果要重复访问的两个块刚好映射到同一行，就会降低命中率，当两个块比较相邻（才可能被重复访问）时并被映射到同一行，说明cache比较小，即行数比较少时会出现这种情况。
• 因此直接映射适合大容量cache使用

1. 根据内存地址的块地址去找cache对应行
2. 再比较cache标记和主存地址的块标记是否相等
3. 相等就命中，命中就再根据主存地址的块内地址到cache取对应字节

2.关联映射

关联映射中的标记必须是块号，所以长度只能是log2Mlog_2Mlog2​M，不像直接映射中有规律，可以缩短。关联映射是可以按一定规则放的，只要有空位就能放

• 优点：在cache比较小时不会出现抖动，想加载哪些块都可，不会出现反复加载，除非cache行数不够了
• 缺点：怎么规定放块实现比较复杂，同时检查时要平均检查12\frac{1}{2}21​的cache，在cache很大时开销太大
• 因此关联映射适合容量小的cache

3.组关联映射（介于前面两种方法之间）

K是指每组里面包含的行数，S是组数

即将cache分成不同的组，一个块只能映射到对应的组中，但在这个组中可以放在任意一行

标记中不需要存全部块号，因为组号是固定的，只要log2M−log2Slog_2M-log_2Slog2​M−log2​S位即可

**关联度：**一个块映射到cache中可能存放的位置个数

关联度越低，命中率越低，检查是否命中的时间越短，标记所占的额外空间开销越小

三、替换算法

目的：将最不可能被使用的行替换掉，尽可能增大命中率

替换算法使用硬件来实现，因为替换需要非常快的速度

1.最近最少使用算法（LRU）

假设前提相当于看文件被修改过到现在的时间

需要限定路的数目，多路会很复杂，在模拟中可以通过设置时间戳的方式来记录最近使用的时间，要替换时最早的那个就是最近最少使用的

2.先进先出算法（FIFO）

假设前提相当于看文件被创建到现在的时间

无需限定路的数目，只要循环轮下来即可

最开始初始化是应该把每一行的use位设为0，因为相当于替换哪行都可以。

替换时把被替换的行设为1，把它的下一行设为0（如果是最开始，那么它的下一行本来就是0），如果被替换的是最后一行，那么把第一行设为0，这样循环，可以保证一个组中至少存在一个use位为0的行，从而用新数据去替换这一行

3.最不经常使用算法（LFU）

4.随机替换算法（Random）

能到cache中的的块都是使用率较高的，否则不会进到cache中，所以不再去区分cache中块的使用率

性能只比其他区分cache中块优先级的差一点点，但实现起来相对简单很多

四、写策略

写数据时，CPU同样会优先修改cache中的数据

对cache的修改不需要直接同步到内存中，因为之后CPU读的还是cache中的内容，因此只要存在cache中即可；只有在cache中这个块要被替换时，才要把修改同步到内存，否则这个修改就丢失了

1.写直达

对于多CPU共享一个内存的情况，实时同步数据是必要的

2.写回法

缺点就是如果这个块被修改但没有被替换，那么它不会写回主存同步修改，而I/O模块对主存如打印时就得不到最新的数据了，只能增加设计：在打印时把所有cache中脏位为1的都同步到主存

五、行大小

六、cache数目

L2容量比L1更大，L2从内存中取了数据，L1从L2中取了数据，同样找数据时也是先在L1中找，如果未命中，再去L2中找

为什么不只使用大容量的L2，而是加入了L1?

分立：对指令和数据分别用不同的cache

总结

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L2容量比L1更大，L2从内存中取了数据，L1从L2中取了数据，同样找数据时也是先在L1中找，如果未命中，再去L2中找

为什么不只使用大容量的L2，而是加入了L1?

[外链图片转存中…(img-Pa7XGQ10-1656554789633)]

分立：对指令和数据分别用不同的cache

总结

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