课件Cache基本知识.PPT
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1、5.2 Cache基本知识,1存储空间分割与地址计算,5.2.1 映象规则,1. 全相联映象 全相联:主存中的任一块可以被放置到 Cache中的任意一个位置。 举例 对比: 阅览室位置 随便坐 特点: 空间利用率最高,冲突概率最低, 实现最复杂。,2Cache和主存分块,5.2 Cache 基本知识,2. 直接映象, 直接映象:主存中的每一块只能被放置到 Cache中唯一的一个位置。 举例 (循环分配) 对比:阅览室位置 只有一个位置可 以坐 特点:空间利用率最低,冲突概率最高, 实现最简单。 对于主存的第i 块,若它映象到Cache的第 j 块,则: ji mod (M ) (M为Cache
2、的块数),5.2 Cache 基本知识, 组相联:主存中的每一块可以被放置到Cache 中唯一的一个组中的任何一个位置。 举例 组相联是直接映象和全相联的一种折衷, 设M2m,则当表示为二进制数时,j 实际 上就是i 的低m 位:,3. 组相联映象,m位,j,i:,5.2 Cache 基本知识, 上述的j 和k 通常称为索引, 组的选择常采用位选择算法 若主存第i 块映象到第k 组,则: ki mod(G) (G为Cache的组数) 设G2g,则当表示为二进制数时,k 实 际上就是i 的低 g 位:,g 位,k,i:,5.2 Cache 基本知识, 绝大多数计算机的Cache: n 4 想一想
3、:相联度一定是越大越好?, n 路组相联:每组中有n 个块(nM/G ) n 称为相联度。 相联度越高,Cache空间的利用率就越高, 块冲突概率就越低,失效率也就越低。,全相联,直接映象,组相联,n (路数),G (组数),M,M,1,1,1nM,1GM,5.2 Cache 基本知识,5.2.2 查找方法,1. 如何确定Cache中是否有所要访问的块? 若有的话如何确定其位置? 答案,5.2 Cache 基本知识, 目录表的结构, 只需查找候选位置所对应的目录表项, 并行查找与顺序查找, 提高性能的重要思想:主候选位置(MRU块) 前瞻执行, 并行查找的实现方法:,5.2 Cache 基本知
4、识,举例: 路组相联并行标识比较 (比较器的个数及位数),相联存储器 单体多字存储器比较器, 路组相联Cache的查找过程, 直接映象Cache的查找过程,5.2.3 替换算法,所要解决的问题:当新调入一块,而Cache 又已被占满时,替换哪一块?,2. FIFO 3. LRU 优点:失效率低 LRU和随机法的失效率的比较,1. 随机法 优点:实现简单,5.2 Cache 基本知识,5.2.4 写策略,1. “写”操作所占的比例 Load指令:26 Store指令:9 “写”在所有访存操作中所占的比例: 9/(100269)7 “写”在访问Cache操作中所占的比例: 9/(269)25,3“
5、写”访问有可能导致Cache和主存内容的不一致,2. “写”操作必须在确认是命中后才可进行,5.2 Cache 基本知识,4两种写策略 写直达法 执行“写”操作时,不仅写入Cache,而且 也写入下一级存储器。 写回法 执行“写”操作时,只写入Cache。仅当 Cache中相应的块被替换时,才写回主存。 (设置“污染位”),5.2 Cache 基本知识,5两种写策略的比较 写回法的优点:速度快,所使用的存储器频 带较低; 写直达法的优点:易于实现,一致性好。,6. 写缓冲器,8. 写策略与调块 写回法 按写分配 写直达法 不按写分配,7. “写”操作时的调块 按写分配(写时取) 写失效时,先把
6、所写单元所在的块调入 Cache,再行写入。 不按写分配(绕写法) 写失效时,直接写入下一级存储器而不调块。,5.2 Cache 基本知识,5.2.5 Cache的结构,例子:DEC的Alpha AXP21064中的内部数据 Cache。,1. 简介 容量:8KB 块大小:32B 块数:256 采用不按写分配 映象方法:直接映象 “写”策略:写直达 写缓冲器大小:4个块,5.2 Cache 基本知识,2. 结构图,3. 工作过程 “读”访问命中, “写”访问命中,5. 混合Cache与分离Cache (1) 优缺点 (2) 失效率的比较,5.2 Cache 基本知识, 失效情况下的操作,16
7、KB,容 量,1 KB,2 KB,4 KB,8 KB,32 KB,指令 Cache,3.06%,失 效 率 的 比 较,64 KB,128 KB,数据 Cache,混合 Cache,2.26%,1.78%,1.10%,0.64%,0.39%,0.15%,0.02%,24.61%,20.57%,15.94%,10.19%,6.47%,4.82%,3.77%,2.88%,13.34%,9.78%,7.24%,4.57%,2.87%,1.99%,1.36%,0.95%,(3) 分离Cache平均失效率的计算:,访问指令Cache的百分比指令Cache的失效率 访问数据Cache的百分比数据Cache
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