Cache基礎(chǔ)知識介紹課件

什么是cacheCache又叫高速緩沖存儲器，位于CPU與內(nèi)存之間，是一種特殊的存儲器子系統(tǒng)。目前比較常見的是兩極cache結(jié)構(gòu)，即cache系統(tǒng)由一級高速緩存L1cache和二級高速緩存L2cache組成，L1cache通常又分為數(shù)據(jù)cache（I-Cache）和指令cache（D-Cache），它們分別用來存放數(shù)據(jù)和執(zhí)行這些數(shù)據(jù)的指令。Cache基礎(chǔ)知識介紹兩極cache相比較而言，L1cache的容量小，但數(shù)據(jù)存取速度較快，L2cache的容量大，但數(shù)據(jù)存取速度較慢。部分系統(tǒng)中也存在三級cache的結(jié)構(gòu)。Cache基礎(chǔ)知識介紹Cache的作用是什么Cache的作用就是為了提高CPU對存儲器的訪問速度。電腦的內(nèi)存是以系統(tǒng)總線的時鐘頻率工作的，這個頻率通常也就是CPU的外頻。但是，CPU的工作頻率(主頻)是外頻與倍頻因子的乘積。這樣一來，內(nèi)存的工作頻率就遠低于CPU的工作頻率了。這樣造成的直接結(jié)果是：CPU在執(zhí)行完一條指令后，常常需要“等待”一些時間才能再次訪問內(nèi)存，極大降了CPU工作效率。在這樣一種情況下，cache就應(yīng)運而生了。Cache基礎(chǔ)知識介紹指令地址……96loop:ADDr2,r1,r1100

SUBIr3,r3,#1104

BNEZr3,loop108……112典型的內(nèi)存訪問模式

Cache的工作原理Cache基礎(chǔ)知識介紹CPU運行程序是一條指令一條指令地執(zhí)行的，而且指令地址往往是連續(xù)的，意思就是說CPU在訪問內(nèi)存時，在較短的一段時間內(nèi)往往集中于某個局部，這時候可能會碰到一些需要反復(fù)調(diào)用的子程序。系統(tǒng)在工作時，把這些活躍的子程序存入比主存快得多的cache中。CPU在訪問內(nèi)存時，首先判斷所要訪問的內(nèi)容是否在cache中，如果在，則稱為命中（hit），此時CPU直接從cache中調(diào)用該內(nèi)容；否則稱為未命中（miss），CPU會通過cache對主存中的相應(yīng)內(nèi)容進行操作。Cache基礎(chǔ)知識介紹Cache的地址映射方式Cache與主存之間可以采取的地址映射方式有以下三種：全相聯(lián)映射方式直接相聯(lián)映射方式組組相聯(lián)映射方式Cache基礎(chǔ)知識介紹全相聯(lián)方式地址映射規(guī)則：主存的任意一塊可以映射到cache中的任意一塊(1)主存與cache分成相同大小的數(shù)據(jù)塊。(2)主存的某一數(shù)據(jù)塊可以裝入cache的任意一塊空間中。優(yōu)點：命中率比較高，cache存儲空間利用率高。缺點：訪問相關(guān)存儲器時，每次都要與全部內(nèi)容比較，速度低，成本高，因而應(yīng)用少。Cache基礎(chǔ)知識介紹直接相聯(lián)方式地址映射規(guī)則：主存儲器中一塊只能映射到cache的一個特定的塊中。(1)主存與cache分成相同大小的數(shù)據(jù)塊。(2)主存容量應(yīng)是cache容量的整數(shù)倍，將主存空間按cache的容量分成區(qū)，主存中每一區(qū)的塊數(shù)與cache的總塊數(shù)相等。(3)主存中某區(qū)的一塊存入cache時只能存入緩存中塊號相同的位置。優(yōu)點：地址映射方式簡單，數(shù)據(jù)訪問時，只需檢查區(qū)號是否相等即可，因而可以得到比較快的訪問速度，硬件設(shè)備簡單。缺點：替換操作頻繁，命中率比較低。Cache基礎(chǔ)知識介紹組相聯(lián)映射方式地址映射規(guī)則：(1)主存和cache按同樣大小劃分成塊。(2)主存和cache按同樣大小劃分成組。(3)主存容量是cache容量的整數(shù)倍，將主存空間按cache區(qū)的大小分成區(qū)，主存中每一區(qū)的組數(shù)與cache的組數(shù)相同。(4)當(dāng)主存的數(shù)據(jù)調(diào)入cache時，主存與cache的組號應(yīng)相等，也就是各區(qū)中的某一塊只能存入cache的同組號的空間內(nèi)，但組內(nèi)各塊地址之間則可以任意存放，即從主存的組到cache的組之間采用直接映射方式；在兩個對應(yīng)的組內(nèi)部采用全相聯(lián)映射方式。優(yōu)點：塊的沖突概率比較低，塊的利用率大幅度提高，塊失效率明顯降低。

缺點：實現(xiàn)難度和造價要比直接映射方式高。Cache基礎(chǔ)知識介紹Cache基礎(chǔ)知識介紹塊:塊是cache與主存的傳輸單位。路（way）:路是組相聯(lián)映射方式的cache結(jié)構(gòu)中的基本存儲單位，每一路存儲一個塊的數(shù)據(jù)。組（entry）:組是組相聯(lián)映射方式的cache對塊進行管理的單位。區(qū)（tag）:塊的地址對應(yīng)的主存儲器中的區(qū)。塊內(nèi)偏移地址（offset）:用來標(biāo)示塊內(nèi)一個字節(jié)的地址。組相聯(lián)映射方式下主存儲器的地址空間由，區(qū)，組和塊內(nèi)偏移地址組成。Cache基礎(chǔ)知識介紹組相聯(lián)映射方式下cache的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。Cache基礎(chǔ)知識介紹Cache的替換算法Cache可以采用的替換算法主要有以下幾種：先入后出(FILO)算法隨機替換(RAND)算法先入先出(FIFO)算法近期最少使用(LRU)算法Cache基礎(chǔ)知識介紹隨機(RAND)法是隨機地確定替換的存儲塊。設(shè)置一個隨機數(shù)產(chǎn)生器，依據(jù)所產(chǎn)生的隨機數(shù)，確定替換塊。這種方法簡單、易于實現(xiàn)，但命中率比較低。先進先出(FIFO)法是選擇那個最先調(diào)入的那個塊進行替換。當(dāng)最先調(diào)入并被多次命中的塊，很可能被優(yōu)先替換，因而不符合局部性規(guī)律。這種方法的命中率比隨機法好些，但還不滿足要求。近期最少使用(LRU)法是依據(jù)各塊使用的情況，總是選擇那個最近最少使用的塊被替換。這種方法比較好地反映了程序局部性規(guī)律，命中率最高。Cache基礎(chǔ)知識介紹如何提高cache的性能提高cache的性能也就是要降低主存的平均存取時間主存平均存取時間=命中時間+未命中率*未命中懲罰提高cache的性能有以下三種方法：減少命中時間，減少未命中率，減少未命中懲罰。Cache基礎(chǔ)知識介紹影響命中率的硬件因素主要有以下四點：Cache的容量。Cache與主存儲器交換信息的單位量（cachelinesize）。Cache的組織方式Cache的替換算法Cache基礎(chǔ)知識介紹代碼段Afor(i=0;i<1024;i++)for(j=0;j<4;j++)sum+=x[i][j]代碼段Bfor(j=0;j<4;j++)for(i=0;i<1024;i++)sum+=x[i][j]通過優(yōu)化代碼提高cache命中率對數(shù)組intx[1024][4]進行求和Cache基礎(chǔ)知識介紹代碼段A：對于數(shù)組元素x[i][0]（i=0…1024）的訪問是miss的，但對于x[i][1]，x[i][2]，x[i][3]的訪問是hit的，因此miss的總次數(shù)為1024次。代碼段B：對于數(shù)組元素x[i][0]，x[i][1]，x[i][2]，x[i][3]（i=0…1024）的訪問都是miss的，他們被x[i+4][0]，x[i+4][1]，x[i+4][2]，x[i+4][3]所替換，因此miss的總次數(shù)為4096次。當(dāng)需要對大量數(shù)據(jù)訪問的時候，一定要注意對內(nèi)存的訪問要盡量是連續(xù)而且循環(huán)內(nèi)層的訪問接近cache的塊大小，以提高cache的命中率，從而提高程序的運行效率。Cache基礎(chǔ)知識介紹Cache的一致性問題在采用cache的系統(tǒng)中，同樣一個數(shù)據(jù)可能既存在于cache中，也存在于主存中，兩者數(shù)據(jù)相同則具有一致性，數(shù)據(jù)不相同就叫做不一致。Cache主要有兩種寫策略寫直達法（writethrough）和寫回法（writeback）Cache基礎(chǔ)知識介紹寫直達法（writethrough）方法：在對cache進行寫操作的同時，也將內(nèi)容寫到主存中。優(yōu)點：可靠性較高，操作過程比較簡單。缺點：寫操作速度得不到改善，與寫主存的速度相同。寫回法（writeback）方法：在CPU執(zhí)行寫操作時，只寫入cache，不寫入主存。優(yōu)點：速度較高。缺點：可靠性較差，控制操作比較復(fù)雜。Cache基礎(chǔ)知識介紹對于多個主設(shè)備的共享存儲總線系統(tǒng)，如帶有DMA的系統(tǒng)，或者多處理器系統(tǒng)，由于其他的主設(shè)備也可以改變主存的內(nèi)容，而這種改變是cache無法得知的，因此必須對cache的一致性問題進行處理。Cache基礎(chǔ)知識介紹可以將主存中的一塊地址空間設(shè)置為非cache訪問，CPU對這部