Cache相关原理

当用虚地址访问主存时，机器自动地把它经辅助软件、硬件变换成主存实地址。查看这个地址所对应的单元内容是否已经装入主存，如果在主存就进行访问，如果不在主存内就经辅助软件、硬件把它所在的那块程序和数据由辅存调入主存，而后进行访问。这些操作都不必由程序员来安排，也就是说，对应用程员员是透明的。 主-辅存层次解决了存储器大容量要求和低成本之间的矛盾。 在速度方面，计算机的主存和CPU直保持了大约一个数量级的差距。显然这个差距限制了CPU速度潜力的发挥。为了弥合这个差距，仅采用一种工艺的单一存储器是行不通的，必须进一步从计算机系统结构和组织上去研究。设置高速缓冲存储器(Cache)是解决存取速度的重要方法。在CPU和主存中间设置高速缓冲存储器，构成高速缓存(Cache)-主存层次，要求Cache在速度上能跟得上CPU的要求。Cache-主存间的地址映象和调度吸取了比它较早出现的主-辅存存储层次的技术，不同的是因其速度要求高，不是由软、硬件结合而完全由硬件来实现。

地址映象是指某一数据在内存中的地址与在缓冲中的地址，两者之间的对应关系。下面介绍三种地址映象的方式。1.全相联方式地址映象规则：主存的任意一块可以映象到Cache中的任意一块(1) 主存与缓存分成相同大小的数据块。(2) 主存的某一数据块可以装入缓存的任意一块空间中。如果Cache的块数为Cb，主存的块数为Mb，则映象关系共有Cb×Mb种。目录表存放在相关(联)存储器中，其中包括三部分：数据块在主存的块地址、存入缓存后的块地址、及有效位(也称装入位)。由于是全相联方式，因此，目录表的容量应当与缓存的块数相同。优点：命中率比较高，Cache存储空间利用率高。缺点：访问相关存储器时，每次都要与全部内容比较，速度低，成本高，因而应用少。2.直接相联方式地址映象规则： 主存储器中一块只能映象到Cache的一个特定的块中。

(1) 主存与缓存分成相同大小的数据块。(2) 主存容量应是缓存容量的整数倍，将主存空间按缓存的容量分成区，主存中每一区的块数与缓存的总块数相等。(3) 主存中某区的一块存入缓存时只能存入缓存中块号相同的位置。主存中各区内相同块号的数据块都可以分别调入缓存中块号相同的地址中，但同时只能有一个区的块存入缓存。由于主、缓存块号相同，因此，目录登记时，只记录调入块的区号即可。主、缓存块号及块内地址两个字段完全相同。目录表存放在高速小容量存储器中，其中包括二部分：数据块在主存的区号和有效位。目录表的容量与缓存的块数相同。优点：地址映象方式简单，数据访问时，只需检查区号是否相等即可，因而可以得到比较快的访问速度，硬件设备简单。缺点：替换操作频繁，命中率比较低。3.组相联映象方式组相联的映象规则：(1) 主存和Cache按同样大小划分成块。(2) 主存和Cache按同样大小划分成组。(3) 主存容量是缓存容量的整数倍，将主存空间按缓冲区的大小分成区，主存中每一区的组数与缓存的组数相同。(4) 当主存的数据调入缓存时，主存与缓存的组号应相等，也就是各区中的某一块只能存入缓存的同组号的空间内，但组内各块地址之间则可以任意存放，即从主存的组到Cache的组之间采用直接映象方式;在两个对应的组内部采用全相联映象方式。主存地址与缓存地址的转换有两部分，组地址是按直接映象方式，按地址进行访问，而块地址是采用全相联方式，按内容访问。组相联的地址转换部件也是采用相关存储器实现。优点：块的冲突概率比较低，块的利用率大幅度提高，块失效率明显降低。缺点：实现难度和造价要比直接映象方式高。