期末复习—计算机组成原理—计算机的高速缓存

高速缓存的工作原理

高速缓存的构成和内存的构成原理是一样的
即，由字和字块构成
字：是指存放在一个存储单元中的二进制代码组合
字块：用来放字的东西，存储在连续的存储单元中而被看作是一个单元的一组字，即字块是由字构成，存放字的东西

如图(主存示意图)：一个字块由多个字构成，而且有如右图的规则，注意，不是说一个字的位数一定是32位，上面的三个前提只是假设

下图为一个字地址的示意图
如图，一个字的地址由两部分组成，CPU进行寻址的话则需要通过前m位先找到字所在字块的地址，然后找到对应的字块，然后再通过后b位找到字在字块中的地址

下面是关于字的运算规则
因为前m位是指定块的地址的，即所有块中的此块的地址，所以2^m=M，而后面的b是指定此字在块中所有字中此字的地址的，所以2^b=B

例题：

注意很重要一点：我们所说的32位或者64位指的都是比特位(bit)，即2⁵=32bit，2⁶=64bit

1. 求块地址m位数，即用来指定此字所在块在所有块中的地址的那一部分
   先求出内存中的总块数，然后2^m=总块数
2. 求块内地址b的位数，即指定此字在块中的地址那一部分
   先求出块内总位数，即比特位数(bit)
   然后公式2^b=总比特位

如图：

CPU跟缓存交互的效率

下图为CPU和缓存和主存的关系交互图
有上图这三个规则

因为缓存快，主存慢，所以一般我们把常用的数据都优先加载到缓存中
命中率：
然后我们可以通过命中率这一个名词来衡量CPU从高速缓存取数据成功的概率

如下图，为命中率的计算方法
Cache就是高速缓存，h代表命中率

访问效率和访问Cache—主存系统的平均时间
h还是我们的命中率

例题：

1. 肯定先求命中率
   
2. 然后求访问效率
   
3. 平均访问时间
   

高速缓存的替换策略

原因：
为了加快CPU加载数据的速度，我们需要尽可能的让CPU从高速缓存中读取数据，因为高速缓存容量小，所以我们可以让CPU需要的数据先从主存加载到高速缓存，然后再让CPU从高速缓存中读取数据
什么是高速缓存的替换
替换策略就用在高速缓存容量满了，但还是需要从主存读取数据的时候，此时就需要去除掉一点高速缓存中的数据，如下图：

有如下四中策略：

1. 随机算法
   即随机选取去掉高速缓存中的一个数据，用来替换从内存读取到的数据
2. 先进先出算法(FIFO)
   如图：
   即先进入高速缓存的数据拍在前面，然后从内存中读取新数据了，就把最先进入的数据即最前面的数据给去掉，然后让读取到的数据拍在最后面
3. 最不经常使用算法(LFU)
   他最主要是两点：
   
   原理如图：
   读取到缓存中使用次数最少的数据，并把它替换为要读取进来的数据
4. 最近最少使用算法
   要点：
   
   原理：
   即我们把读取到缓存中的数据存入链表，新读入或者新使用的数据放在链表头部
   即，当我们用到缓存中的某一数据的时候，这个数据会从原先他在链表中的位置移动到链表头部，而且当我们从主存中新读取到的数据也会放在链表头
   然后缓存存放满了的话就从链表尾去除数据来腾出空间，然后新读取的数据还是会放在链表头