Cache 的功能

高速緩沖存儲(chǔ)器，是一個(gè)相對(duì)于主存來說容量很小、速度特快、用靜態(tài)存儲(chǔ)器器件實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。它的作用在于緩解主存速度慢、跟不上CPU讀寫速度要求的矛盾。它是把CPU最近最可能用到的少量信息（數(shù)據(jù)或指令）從主存復(fù)制到cache中，當(dāng)CPU下次再用這些信息時(shí)，它就不必訪問慢速的主存，而直接從快速的cache中得到，從而提高了得到這些信息的速度，使CPU有更高的運(yùn)行效率。

Cache 的工作原理

Cache的工作原理是基于程序訪問的局部性。對(duì)大量典型程序運(yùn)行情況的分析結(jié)果表明，在一個(gè)較短的時(shí)間間隔內(nèi)，由程序產(chǎn)生的地址往往集中在存儲(chǔ)器邏輯地址空間的很小范圍內(nèi)。指令地址的分布本來就是連續(xù)的，再加上循環(huán)程序段和子程序段要重復(fù)執(zhí)行多次。因此，對(duì)這些地址的訪問就自然地具有時(shí)間上集中分布的傾向。此外。對(duì)數(shù)組的存儲(chǔ)和訪問以及工作單元的選擇都可以使存儲(chǔ)器地址相對(duì)集中。這種對(duì)局部范圍的存儲(chǔ)器地址頻繁訪問，而對(duì)此范圍以外的地址則訪問甚少的現(xiàn)象，就稱為程序訪問的局部性。

根據(jù)程序的局部性原理，可以在主存和CPU之間設(shè)置一個(gè)速度更高但容量較小的存儲(chǔ)器，把正在執(zhí)行的指令地址附近的一部分指令或數(shù)據(jù)從主存調(diào)入這個(gè)存儲(chǔ)器，供CPU在一段時(shí)間內(nèi)使用，這對(duì)提高程序的運(yùn)行速度有很大的作用。

因此，高速緩存的成功和失敗就取決于將哪些內(nèi)容放到Cache中。根據(jù)局部性原理，在訪問存儲(chǔ)器的某個(gè)字后，并將該字和它的相鄰單元從低速的大容量存儲(chǔ)器系統(tǒng)中讀到高速緩存中。這樣，下次訪問它時(shí)，可以訪問得快一些。如果，在一個(gè)短的時(shí)間片內(nèi)，需要對(duì)這個(gè)塊中的字訪問k次，CPU就只要訪問低速存儲(chǔ)器一次，另外k-1次就可以訪問快速的高速緩存，訪問次數(shù)越多，總體性能就越好。

Cache 的結(jié)構(gòu)

硬盤的組成

Cache 的結(jié)構(gòu)，如圖6.13所示。主存由2n個(gè)單元構(gòu)成，地址碼的位數(shù)為n，主存分成若干個(gè)塊，每塊有2b個(gè)字節(jié)。同樣Cache分成若干塊，每塊內(nèi)又包含若干個(gè)字，它們的塊大小相同(即塊內(nèi)的字?jǐn)?shù)相同)。由于Cache的塊數(shù)c遠(yuǎn)小于主存的塊數(shù)m，因此，一個(gè)緩存塊不能惟一地、永久地只對(duì)應(yīng)一個(gè)主存塊，故每個(gè)緩存塊需設(shè)一個(gè)標(biāo)記用來表示當(dāng)前存放的是哪一個(gè)主存塊，該標(biāo)記的內(nèi)容相當(dāng)于主存塊的編號(hào)。CPU讀信息時(shí)，要將主存地址的高m位 (或m位中的一部分)與緩存塊的標(biāo)記進(jìn)行比較，以判斷所讀的信息是否已在緩存中。

Cache的容量與塊長(zhǎng)是影響Cache效率的重要因素，通常用“命中率”來衡量Cache的效率。命中率是指CPU要訪問的信息已在Cache內(nèi)的比率。一般而言，Cache容量越大，其CPU的命中率就越高。當(dāng)然也沒必要太大，太大會(huì)增加成本，而且當(dāng)Cache容量達(dá)到一定值時(shí)，命中率已不因容量的增大而有明顯的提高。因此，Cache容量是總成本價(jià)與命中率的折中值。如80386的主存最大容量為4GB，與其配套的Cache容量為16KB或32KB，其命中率可達(dá)95%以上。

圖6.13 Cache/主存存儲(chǔ)空間的基本結(jié)構(gòu)．

Cache 的工作流程

高速緩存的工作流程如圖6.14所示，由工作流程圖可知，當(dāng)CPU送出主存地址（大）后，經(jīng)過地址映像變換機(jī)構(gòu)的比較后，得到比較結(jié)果是否命中，如果命中，就將此大地址變換成Cache地址（?。┖笏偷紺ache，以選中所需要的字，并將該字傳送到CPU數(shù)據(jù)總線；如果不命中，即去主存將所需的字讀出后送到數(shù)據(jù)總線，同時(shí)，將此字的所在塊（若干個(gè)字）讀出，在送到Cache前，還要判斷，如果Cache中可以裝入就直接寫入，如不能裝入就調(diào)用替換策略。

圖6.14 Cache的工作流程

csche的三種地址映像方式

為了把信息放到Cache中，必須應(yīng)用某種函數(shù)或規(guī)則把主存地址映象到Cache，這種地址的邏輯對(duì)應(yīng)關(guān)系稱作地址映象。當(dāng)信息按這種映象關(guān)系裝入Cache后，執(zhí)行程序時(shí)，應(yīng)將主存地址變換成Cache地址，這個(gè)變換過程叫作地址變換，地址映象和地址變換是密切相關(guān)的。Cache的地址映象方式主要有全相聯(lián)映象、直接映象和組相聯(lián)映象三種。

1．全相聯(lián)映像

如圖6.15所示，這種主存與cache的地址映像關(guān)系比較簡(jiǎn)單，它允許主存中的一個(gè)字塊映像到cache存儲(chǔ)器的任何一個(gè)字塊位置上，也允許從確實(shí)已被占滿的cache存儲(chǔ)器中替換出任何一個(gè)字塊。

圖6.15全相聯(lián)映像

圖6.16為地址變換過程示意，可以將主存地址分成兩段，主存塊號(hào)和塊內(nèi)地址，將cache的地址分成cache塊號(hào)和塊內(nèi)地址，兩者的塊內(nèi)地址即字地址且相同。

圖6.16 全相聯(lián)映像的地址變換

全相聯(lián)映像的優(yōu)點(diǎn)是塊沖突率低，只有當(dāng)Cache中全部裝滿后，才有可能出現(xiàn)塊沖突。缺點(diǎn)是訪問速度慢（相對(duì)于讀出一個(gè)單元內(nèi)容的其他方法），這是因?yàn)橐c所有標(biāo)記全部比較一遍，才能確定是否命中；另外實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，成本比較高。因此，全相聯(lián)映像一般用于較小的Cache 。

2．直接映像

這種地址映像如圖6.17所示，圖（a）中，它以Cache的容量為單位，將主存分為若干個(gè)區(qū)；圖（b）中的點(diǎn)虛線、雙點(diǎn)劃虛線和實(shí)線清楚地看出，主存每個(gè)區(qū)中的塊只能裝入與Cache對(duì)應(yīng)的塊，即直接映象。

圖6.17 直接映像

一般情況下，Cache存儲(chǔ)空間被分為n個(gè)塊，塊號(hào)為j，主存空間被分為m個(gè)區(qū)，主存塊號(hào)分別為i，區(qū)號(hào)分別為k。顯然，主存第0區(qū)的第０塊、1 塊、... n+1塊只能映象到Cache的第０塊、1 塊、... n+1塊。同樣，主存第1區(qū)的第n塊、n+1 塊、...2 n-1塊，只能映象到Cache的第０塊、1 塊、... n+1塊。因此，直接映象函數(shù)定義為：

j = i mod 2c （其中2c為cache的塊數(shù)，即n=2c，“mod”為求模取余）

此外，還可以根據(jù)主存塊號(hào)求出主存區(qū)：k = [i / 2c]，其中k是主存的區(qū)號(hào)，i是主存的塊號(hào)，2c為cache的塊數(shù)，即n，“[ ]”為取整。

圖6.18為直接映像的地址變換過程示意，假設(shè)將主存地址分成3段，區(qū)號(hào)、區(qū)內(nèi)塊號(hào)和塊內(nèi)地址，將cache的地址分成cache塊號(hào)和塊內(nèi)地址。因?yàn)橹苯佑诚?，所以區(qū)內(nèi)塊號(hào)與cache塊號(hào)兩者一定相同，因此，區(qū)號(hào)是鑒別不同塊的唯一標(biāo)志。圖中虛線框內(nèi)為按地址訪問的高速存儲(chǔ)器，它屬于cache控制器，存放著裝入主存信息后的主存區(qū)號(hào)等標(biāo)志，也稱塊表。當(dāng)主存地址到達(dá)后，以區(qū)內(nèi)塊號(hào)作為地址，讀出塊表內(nèi)的區(qū)號(hào)標(biāo)志，并與當(dāng)前的區(qū)號(hào)比較，如果相同，為命中，即將當(dāng)前cache塊號(hào)與塊內(nèi)地址一起送到cache，對(duì)cache進(jìn)行字訪問。如果不命中，就要訪問主存。

圖6.18 直接映像的地址變換

直接映像是簡(jiǎn)單的地址映像，地址變換速度較快，且遇到?jīng)_突替換時(shí)，只要將所在的塊替換出來，不需要替換算法，但它的命中率略低，但硬件實(shí)現(xiàn)更容易。

3．組相聯(lián)映像

如果將圖6.19中的cache再分成若干個(gè)組，主存的區(qū)也分成相同的組，就成為組相聯(lián)映像，由圖（a）中的虛線、雙點(diǎn)劃虛線可清楚地看出，主存中每個(gè)區(qū)中的組都直接映像到cache中的相應(yīng)組，由圖（b）所示，組內(nèi)的每一塊可以全相聯(lián)映象到Cache中相應(yīng)組內(nèi)的任何一個(gè)任何塊，即組間直接映像，組內(nèi)全相聯(lián)映像。即主存數(shù)據(jù)塊所在的組只能直接映像到cache的相應(yīng)的組中，該組號(hào)確定后，數(shù)據(jù)塊本身就可以全相聯(lián)映像到cache該組的任意一塊。

圖6.19 組相聯(lián)映像

由于組相聯(lián)映像判斷塊命中和替換算法上都比全相聯(lián)映像簡(jiǎn)單，所以實(shí)現(xiàn)起來容易得多，訪問沖突的概率比直接映像來得低，命中率接近于全相聯(lián)映像，所以組相聯(lián)映像被很多機(jī)器廣泛采用。

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