计算机组成原理 — 存储器(2)

高速缓冲存储器

大家好呀！我是小笙，由于存储器这部分章节内容较多，我分成二部分进行总结，以下是第二部分，希望内容对你有所帮助！

概述

目的：避免CPU空等现象

原理：程序访问的局部性原理（指令和数据在主存地址分布不是随机的，而是相对的簇聚，也就是说程序大部分访问都是少数的指令和数据）

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Cache 工作原理

主存和缓存的编址

• 主存和缓存按块存储，块的大小相同（B 就是块的大小）
• Cache 内的块内地址不仅大小和主存一样，而且取值也是一样的
• Cache 内的标记就是来记录主存的主存块号

命中与未命中

缓存共有 C 块，主存共有 M 块（M >> C）

• 命中：CPU 所要访问的数据已经从主存储器映射到了 Cache 缓存中（用标记建立起与主存的关系）
• 未命中：CPU 所要访问的数据没有在 Cache 缓存中找到
• 命中率 h：CPU欲访问的信息在 Cache 中的比率（与 Cache 的容量和块长有关）
• 访问效率 e：tc / (h * tc + (1-h) * (tm + tc)) * 100% （区间：[tc / tm ,1]） （访问 Cache 的时间 tc ； 访问主存的时间 tm）

示例详解

假设 CPU 执行某段程序时，共访问 Cache 命中3000次，访问主存 20 次。已知 Cache的存取周期为50ns,主存的存取周期为200ns，求Cache-主存系统的命中率、访问效率和平均访问时间？

• 命中率 = 命中 Cache 的次数 / 总次数 = 3000 / (3000+20)
• 平均访问时间 = Cache的存取周期 * 命中率 + （1 - 命中率） * 主存的存取周期 = 50ns * h + (1-h) * 200ns
• 访问效率 e = 访问 Cache 的时间 / 平均访问时间 * 100% = 50ns / 50ns * h + (1-h) * 200ns

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Cache 的基本结构

Cache 的基本结构原理框图

CPU（通过地址总线）给出地址，这个地址包括**（主存）块号和块内地址**。块内地址直接传给Cache，使用块号在主存Cache地址映像机构中确认是否命中。如果发生命中，得到Cache的块号；如果未命中，查看Cache中是否有空间可装入主存块。若有，访问主存装入Cache；若没有，启用Cache替换机构，根据替换算法，决定Cache中哪块可以被替换，然后访问主存替换Cache即可

它主要由Cache存储体、地址映射变换机构、Cache替换机构几大模块组成

• Cache存储体

  Cache存储体以块为单位与主存交换信息，为加速Cache与主存之间的调动，主存大多采用多体结构，且Cache访存的优先级最高

• 地址映射变换机构

  地址映射变换机构是将CPU送来的主存地址转换为Cache地址

• Cache替换机构

  当Cache内容已满，无法接受来自主存块的信息时，就由Cache内的替换机构按一定的替换算法来确定应从Cache内移出哪个块返回主存，而把新的主存块调入Cache

• Cache的读写操作

  • 读操作