计算机组成-高速缓冲存储器Cache

以前计算机是两层存储结构：主存和辅存。

现在大多出计算机中的三层存储结构是：高速缓存Cache、主 存储器和辅助存储器。

那为什么要提出高速缓存呢？

主要的原因是为了提高存储器的平均访问速度。使存储器的速度与CPU的速度想匹配。

那高速缓存是如何提高存储器的速度？

首先介绍一下高速缓存，名叫Cache，Cache有两部分组成：控制部分和Cache部分。Cache部分用来存放主存的部分复制信息。（后面会介绍）控制部分的功能是：判断CPU要访问的信息是否在Cache中。

CPU与Cache之间的数据交换是以字交换的，而Cache与主存储器之间的数据交换是以块交换的。一个数据块是由若干个字组成的。

所以当CPU访问主存的一个信息时，于是把信息的内存地址通知给Cache和主存。此时Cache中的Cache部分（上面提到的）会根据内存地址判断此信息是否在Cache中，若在，则命中，即直接把信息从Cache传给CPU，若不在，则未命中。那如何办呢？首先主存会把此信息的传递给CPU，然后再把此信息的数据块存放到Cache，防止CPU下次读取。

其实CPU访问的过程中，若是Cache未命中，主存把信息数据块存放到Cache中，涉及到局部性原理。

那既然提到了局部性，那么我们介绍一下局部性原理，记得这在操作系统中虚拟存储器页面置换中提到过。

局部性可以分为时间局部性和空间局部性。

时间局部性是指：当一个数据访问完之后，在最近一段时间内再次访问。

这种情况我们可以想想循环，循环就是此种情况。

空间局部性是指：当一个数据访问完之后，在最近一段时间内会访问它周围的数据。

这种情况我们可以想想数组，是不是这种情况哈。

刚才提到命中，理论是有了，那如何计算命中率呢？

命中率=Cache完成存取的次数/Cache完成存取的次数+主存完成的次数

h=N/N+M

那系统的访问时间：

= 命中率*Cache的周期+（1-命中率）*主存的周期

主存与Cache的地址映射：若是Cache中未命中，为了防止下次访问，则需要把主存中的字存放到Cache中，那如何定位主存的地址呢？

Cache的地址映射可以分为三种：直接映射、全相联映射、组相联映射

介绍一下这三种的原理。

首先Cache中的数据块称为行，而主存中的数据块称为块。

直接映射：主存中的地址只能映射到Cache中的确定的某一行。

主存的地址分为：块号地址S位和块内容（字）w位。

在直接映射中，Cache把主存块地址S分为两部分：r和s-r，其中r位作为cache的行地址， s-r位作为标记（tag）与块数据（字）保存在此行。若CPU访问主存中的数据，则cache用r位找到此行，然后用地址中的s-r 的标记部分与cache中r行的标记部分做对比，若相等则命中，否则失中。

在全相联映射中，Cache把主存地址s直接作为标记部分。若访问，直接把地址中的标记部分和cache中的标记部分进行比较。

在组相联映射中，主存地址首先确定分到cache的那个组（采用直接映射），然后分到确定组的任意行（采用全相联映射）。

直接相联优点：地址变换简单。

缺点：若是主存地址映射到Cache同一行中，则会出现冲突，灵活性较差。

全相联优点：主存地址可以存放cache中的任意一行，灵活。

缺点：地址变换复杂。

组相联：集上述两种优点一身。