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2.2.3【知识点】Cache

1. 命中率与平均存取速度

平均存取速度＝Cache存取速度×Cache命中率+主存存取速度×失效率

2. 地址映像

地址映像是把主存地址空间映像到Cache地址空间，即按某种规则把主存的块复制到Cache中。

全相连映像

主存中任何一个块均可以映像装入到Cache中的任何一个块的位置上。主存地址分为块号和块内地址两部分，Cache地址也分为块号和块内地址。Cache的块内地址部分直接取自主存地址的块内地址段。主存块号和Cache块号不相同，Cache块号根据主存块号从块表中查找。

直接映像

把主存分成若干区，每区与Cache大小相同。区内分块，主存每个区中块的大小和Cache中块的大小相等，主存中每个区包含的块的个数与Cache中块的个数相等。任意一个主存块只能映像到Cache中指定的块中，即相同块号的位置。主存地址分为三部分：区号、块号和块内地址，Cache地址分为：块号和块内地址。直接映像方式下，数据块只能映像到Cache中指定的位置，故不存在替换算法的问题。它不同于全相连Cache，地址仅需比较一次。Cache的块号I与主存的块号J有函数关系：I=J Mod M。其中，M为Cache的总块数。

组相连映像

组相连映像是前两种方式的折衷。主存按Cache容量分区，每个区分为若干组，每组包含若干块。Cache也进行同样的分组和分块。主存中一个组内的块数与Cache中一个组内的块数相等。组间采用直接方式，组内采用全相连方式。组的容量等于1时，即直接映像，组的容量等于整个Cache的容量时，即全相连映像。

例： 一个具有4KB直接相联Cache的32位微处理器，主存的容量为16MB，假定该cache的块为4个32位的字。

（1）指出主存地址中区号、块号和块内地址的位数；

（2）求主存地址为ABCDEF（16进制）的单元在Cache中的什么位置？

试题分析：

Cache容量：4KB    主存容量：16MB     映像方式：直接映像

把主存分成若干区，每区与Cache大小相同。区内分块，主存每个区中块的大小和Cache中块的大小相等，主存中每个区包含的块的个数与Cache中块的个数相等。任意一个主存块只能映像到Cache中指定的块中，即相同块号的位置。主存地址分为三部分：区号、块号和块内地址，Cache地址分为：块号和块内地址。

主存的区号：16M/4KB=212＝12位；

主存块号  ：4KB/（4×32bit）＝28＝8位；

块内地址  ：4×32bit ＝16Byte＝4个字（因为一个字为32bit）＝22字＝2位；

ABCDEF = 1010 1011 1100 1101 1110 1111

该存储单元在Cache的位置为：

区号 = 1010 1011 1100     块号 = 1101 1110     块内地址 = 1111

数据的存储一般以"字"为单位进行。但在计算机里我们保留对字节的寻址和编码，不管是16位，还是32位，还是64位处理器，像第二小题主存地址为ABCDEF（16进制）这是一个24位地址码，而主存字地址为22位。 计算机只会按字进行操作，以及它的传输运算，包括直接相连Cache映象。 所以我们只按字寻指与编码，而并不涉及到更低位（字节）。

ABCDEF=1010 1011 1100 1101 1110 1111

在Cache中的位置：块号：1101 1110   块内地址：11

注：后两位为字节寻址，这里不用了。（ABCDEC、ABCDED、ABCDEE、ABCDEF这四个字节地址为同一字地址）在同一个Cache块内地址。

Cache的写入策略

在一个常见的应用程序中，其50%的指令是与数据存取相关的，而其中又有近30%的指令与读取有关。也就是说，CPU在运行中进行的读取操作频率要远远大于写入操作。它的写入依赖于三种写入策略：

写回法：当CPU更新Cache时，并不同时更新内存中的相应数据。这种方法减少了访问内存的次数，缩短了时间。但在保持与内存内容的一致性上存在在隐患，并且使用写回法，必须为每个缓存块设置一个修改位，来反映此块是否被CPU修改过。

全写法：和写回法相反，当Cache数据更新时，也同时更新内存数据。Cache不用设置修改位或相应的判断器。这种方法的好处是，当Cache命中时，由于缓存和内存是同时写入的，所以可以很好的保持缓存和内存内容的一致性。

写一次法：这是一种基于上面两种方法的写策略，它的特点是，除了第一次更新Cache的时候要同时更新内存，其它时候都和写回法一样，只修改Cache。这就在内存一致性和延迟中找到了一个较好的平衡。

3.  Cache的替换策略

所谓替换策略，是指Cache中数据的更新方法。目前常见的Cache替换策略有三种，分别是：

先进先出（First In First Out，FIFO），即替换最早进入Cache的数据。

最不经常使用（east Frequency Used，FU），即替换被CPU访问次数最少的块。

近期最少使用（east Recenty Used，RU），即替换在近段时间里，被CPU访问次数最少的块，也是比较理想的替换算法。

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