高速缓存

[TOC] ## 高速缓存的工作原理  1. CPU需要的数据在缓存里 2. CPU需要的数据不在缓存里 3. 不在缓存的数据需要去主存拿 ## 主存原理 - **字**:是指存放在一个存储单元中的二进制代码组合 - **字块**:存储在连续的存储单元中而被看作是一个单元的一组字  **字的地址**  ### 思考题 例子:假设主存用户空间容量为4G,字块大小为4M,字长为32位,则对于字地址中的块地址m和块内地址b的位数,至少应该是多少? ``` 4G=4096M 求一共的字块数M: 4096/4=1024 字块地址m: 2^m=M -> log2 1024=10 //至少需要10位为才能标识 1024 大小 块内字数 B : 4M / 32 bit = 4*1024*1024*8/32 bit = 1048576 bit 块内地址b: 2^b=B -> log2 1048576=20 m>=10 b>=20 ``` ## 缓存原理  缓存原理与主存类似:  ### 命中率 - 命中率是衡量缓存的重要性能指标 - 理论上CPU每次都能从高速缓存取数据的时候,命中率为1 ### 计算命中率 h 访问主存次数 `$ N_{m} $`: 访问缓存次数 `$ N_{c} $`: `$ h=\frac{N_{c}}{N_{c}+N_{m}} $` ### 计算访问效率 e 访问主存时间: `$ {t_{m}} $` 访问缓存时间: `$ {t_{c}} $` 访问缓存-主存系统的平均时间:`$ {t_{a}} = h{t_{c}}+(1-h){t_{m}} $` 访问效率 :`$ e=\frac{t_{c}}{t_{a}}=\frac{t_{c}}{h{t_{c}}+(1-h){t_{m}}} $` ### 思考题 例子:假设CPU在执行某段程序时,共访问了 Cache命中2000次,访问主存50次,已知 Cache的存取时间为50ns,主存的存取时间为200ns,求 Cache主存系统的命中率、访问效率和平均访问时间。 命中率:`$ h=\frac{N_{c}}{N_{c}+N_{m}}=\frac{2000}{2000+50}=0.97 $` 访问效率 :`$ e=\frac{t_{c}}{t_{a}}=\frac{t_{c}}{h{t_{c}}+(1-h){t_{m}}}=\frac{50}{0.97*50+(1-0.97)200}=0.917=91.7% $` 平均访问时间`$ 0.97*50+(1-0.97)200=54.5ns $` ## 高速缓存的替换策略 ### 随机算法 ### 先进先出算法(FFO)  ### 最不经常使用算法(LFU) - 优先淘汰最不经常使用的字块 - 需要额外的空间记录字块的使用频率  ### 最近最少使用算法(LRU) - 优先淘汰一段时间内没有使用的字块 - 有多种实现方法,一般使用双向链表 - 把当前访问节点置于链表前面(保证链表头部节点是最近使用的) ``` // 假设缓存4个字块, () 表示使用的字块,[]表示淘汰的字块 (1) (2),1 (4),2,1 (7),4,2,1 (5),7,4,2->[1] (4),5,7,2 (6),4,5,7->[2] (1),6,4,5->[7] (6),1,4,5 (7),6,1,4->[5] (4),7,6,1->[4] (1),4,7,6 ```