****** 三十四 ******、软设笔记【存储器系统】-Cache存储器

Cache存储器
Cache（高速缓冲存储器）
高速缓冲存储器是位于主存与CPU之间的一级存储器，有静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小，速度比主存高得多，接近于CPU的速度，单位成本比内存高。Cache存储了频繁访问内存的数据。

（1）Cache原理、命中率、失效率
使用Cache改善系统性能的主要依据是程序的局部性原理。

命中率、失效率
Cache的访问命中率为h（通常1-h就是Cache的失效率），Cache的访问周期时间是t1，主存储器的访问周期时间是t2，则整个系统的平均访存时间就是：t3 = h x t1 + (1-h) x t2

（2）Cache存储器的映射机制
分配给Cache的地址存放在一个相联存储器（CAM）中。CPU发生访存请求时，会先让CAM判断所要访问的数据是否在Cache中，如果命中就是直接使用。这个判断的过程就是Cache地址映射，这个速度应该尽可能快。
常见的映射方法有：
*直接映射
*全相联映射
*组相联映射

1.直接映射
是一种多对一的映射关系，但一个主存块只能够复制到Cache的一个特定位置上去。
Cache的行号i和主存的块号j有函数关系：
i = j % m  (其中m为Cache总行数)

2.全相联映射
将主存中任一主存块能映射到Cache中任意行（主存块的容量等于Cache行容量）。
根据主存地址不能直接提取Cache页号，而是需要将主存块标记与Cache各页的标记逐个比较，知道找到比较符合的页（访问Cache命中），或者全部比较完后仍无符合的标记（访问Cache失败）

主存块标记与Cache各页的标记逐个比较，所以这种映射方式速度很慢，失掉了高速缓冲的作用，这是全相联映射方式的最大缺点。如果让主页标记与各cache标记同时比较，则成本太高。

3.组相联映射
是前两种方式的择中方案。它将Cache中的块再分成组，各组之间是直接映像，而组内各块之间则是全相联映像。

主存地址 = 区号 + 组号 + 组内块号 + 块内地址号

（3）Cache淘汰算法
当Cache数据已满，并且出现未命中情况时，就要淘汰一些老的数据，更新一些新的数据进入Cache。选择淘汰哪些数据的方法就是淘汰算法。常见的方法有三种：
*随机淘汰算法
*先进先出淘汰算法（FIFO）
*最近最少使用淘汰算法（LRU）
其中平均命中率最高的是LRU算法

（4）Cache存储器的写操作
在使用Cache时，需要保证其数据与主存一致，因此在写Cache时就要考虑与主存间的同步问题，通常使用以下三种方法：
*写直达：当Cache写命中时，Cache与主存同时发生写修改
*写回：当CPU对Cache写命中时，只修改Cache的内容而不立即写入主存，当此行被换出才写回主存。
*标记法：数据进入Cache后，有效位置1；当CPU对该数据修改时，数据只写入主存并将该有效位置0。当要从Cache中读取数据时要测试其有效为，若为1则直接从Cache中取数，否则从主存中取数。