《计算机组织结构》期末复习-第8讲-高速缓冲存储器

深入理解高速缓存(Cache)：原理、设计与策略

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已于 2023-12-19 21:35:19 修改 · 1k 阅读

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于 2023-12-18 18:03:56 首次发布

本文详细解释了高速缓存的作用、工作流程，包括内存墙问题的解决方案、Cache的映射方式、替换策略以及写策略。还讨论了一级和多级缓存的区别，以及局部性原理对Cache性能的影响。

问题：CPU的速度比内存的速度快，且两者差距不断扩大–内存墙。
解决：CPU和内存之间增加Cache。
- 解决内存墙带来的CPU和主存协作问题
- 在使用主存（相对大而慢）之余，添加一块小而快的cache
- Cache位于CPU和主存之间，可以集成在CPU内部或作为主板上的一个模块
- Cache中存放了主存中的部分信息的“副本”

如何判断是命中还是未命中?
- Cache通过标记（tags）来标识其内容在主存中的对应位置
局部性原理
- 定义：处理器频繁访问主存中相同位置或者相邻存储位置的现象。
- 时间局部性：在相对较短的时间周期内，重复访问特定的信息（也就是访问相同存储位置的信息）
- 空间局部性：在相对较短的时间周期内，访问相邻存储位置的数据
  - 顺序局部性：当数据被线性排列和访问时，出现的空间局部性的一种
    特殊情况
  - 例如：遍历一维数组中的元素
- 利用“时间局部性”：将未命中的数据在返回给CPU的同时存放在Cache中，以便再次访问时命中。
- 利用“空间局部性”：将包含所访问的字的块存储到Cache中，以便在访问相邻数据时命中。
平均访问时间
- 假设p是命中率， 𝑇_c 是cache的访问时间， 𝑇_M 是主存的访问时间，使用cache时的
  平均访问时间𝑇_A为
  $T_{A} = p\times T_{C} + (1 − p) \times (T_{C} + T_{M}) = T_{C} + (1 − p)×T_{M}$