高速缓冲存储器部件结构及原理解析

高速缓存 CACHE用途设置在 CPU 和 主存储器之间，完成高速与 CPU交换信息，尽量避免 CPU不必要地多次直接访问慢速的主存储器，从而提高计算机系统的运行效率。

高速缓存 CACHE实现原理把CPU最近最可能用到的少量信息(数据或指令)从主存复制到CACHE中，当CPU下次再用到这些信息时，它就不必访问慢速的主存，而直接从快速的CACHE中得到，从而提高了速度。

评价CACHE性能的关键指标要有足够高的命中率，当CPU需用主存中的数据时，多数情况下可以直接从CACHE中得到，尽量少读主存储器。称二者之比为命中率。

一、CACHE的基本运行原理

1、 CACHE的存储单元的组成

CACHE的存储单元是由三部分组成的

1位有效位：“0”表示该单元尚未使用，“1”表示数据有效

(1) CACHE单元不一定以字为单位与主存实现相互对应，因为存储一个完整的主存地址占用位数太多。

(2) CACHE与主存交换信息时，不一定每次以一个主存字为单位进行交换，常用的是以字块的形式(cache line size)进行数据传送。

二、CACHE的3种映像方式

地址映像：把主存地址的数据复制到cache时，还要把该主存的地址经过某种函数关系处理后写进CACHE的标志字段，这一过程称为CACHE的地址映像。

地址变换：在程序执行时，要把主存地址变换为访问CACHE的地址，这一过程称为CACHE的地址变换。

这二者的处理方案是密切相关的。

1、全相联映像方式

全相联映像方式的优缺点

地址映像：写入CACHE时，要将主存的全部地址写入CACHE的标志字段

地址变换：用读主存的整个地址去与CACHE中的每一个单元的标志字段进行比较。

优点：使用灵活、方便

缺点：比较地址字段必须与整个CACHE中每一个单元的标志字段都进行比较，所以线路复杂，成本太高，难以实现，只是适用于容量小的CACHE。

2、直接映射方式

直接映射方式

地址映像：写入CACHE时，仅将主存的区段号写入CACHE的标志字段

地址变换：要将读主存地址中的区段内偏移地址去访问CACHE的一个单元，只需用主存地址的区段号与标志字段内容进行比较。

3、多路(两路)组相联方式

多路(两路)组相联方式实现原理

把 CACHE存储器组织为同等容量的多体结构，例如2个存储体。主存仍然划分成容量等于每个CACHE存储体的多个区段。

主存地址格式如下：

区段号

区段内的偏移量

多路(两路)组相联方式

地址映像：写入CACHE时，仅将主存的区段号写入CACHE的标志字段

地址变换：要将读主存地址中的区段内偏移地址去访问每一个CACHE体的一个单元，只需用主存地址的区段号与标志字段内容进行比较。

三、 CACHE存储器实用中的几个问题

CACHE存储器的重要技术指标是它的命中率，影响 CACHE 命中率的因素有：

1.CACHE 的容量与命中率的关系

虽然容量大一些好，但CACHE 容量达到一定大小之后，再增加其容量对命中率的提高并不明显。

2、 Cache Line Size ( CACHE每次与内存交换信息的单位量)与命中率的关系：

每次交换信息的单位量适中，不是以一个字为单位，而是以几个字(称为CACHE行容量，通常为4～32个字节)在主存与CACHE之间实现信息传送。

3、多级的CACHE结构与命中率的关系：

4.CACHE的不同映像方式与命中率的关系：

全相联映像方式不适用

直接映像方式命中率低

多路组相联方式性能/价格比更好

直接映像方式中CACHE容量为8K字，被分成1024组，每组8个字，同时，主存也分成8个字的组，1024组构成一页。主存的0组只能映射到CACHE的0组，主存的1组只能映射到CACHE的1组，依次类推。地址结构如下：

5、写CACHE的策略和对系统的影响

(1)一个外设向主存写入了一个数据，该主存单元原先的副本在CACHE中，出现不一致，此时最简单的办法就是把CACHE中相应单元的有效位清除掉，当CPU再次需这一主存单元时，只能从主存重新取得而不会使用CACHE中的旧值。

(2)改写主存储器的策略

若CPU改写了 CACHE 一单元内容后且尚未改变主存相应单元内容，则出现数据不一致性。两种解决办法：

第1.接下来直接改写主存单元内容。简便易行, 但可能带来系统运行效率不高的问题，该后未被使用。

第2.拖后改写主存单元内容，一直拖到有另外的设备要读该内容过时的主存单元时。首先停止这一读操作，接下来改写主存内容，之后再起动已停下来的读操作，否则不必改写。

矛盾是如何检查是否应该改写，通过监视地址总线完成，记下无效单元地址用于比较。 控制复杂些，但可以提供更高系统的运行效率。