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访问概率
地址空间
两种局部性：时间局部性和空间局部性
时间局部性：最近被访问的信息很可能还要被访问。 将最近被访问的信息项装入到Cache中。 空间局部性：最近被访问的信息临近的信息也可能被访问。 将最近被访问的信息项临近的信息一起装入到Cache中。
5
高速缓冲存储器（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。 实现：这是一个存储容量很小，但读写速度更快 的，以 关联存储器方式 运行、用静态存储器芯 片实现的存储器系统。 要求：有足够高的命中率，既当 CPU需用主存中 的数据时，多数情况可以直接从CACHE中得到， 称二者之比为命中率。
计算机原理及系统结构
第三十四讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
第8章
高速缓冲存储器和虚拟存储器
本章主要内容
高速缓冲存储器（Cache）
高速缓存的基本运行原理 高速缓存的3种映像方式 高速缓存使用中的Fra Baidu bibliotek个问题
虚拟存储器概述 段式存储管理 页式存储管理
虚拟存储器
3
微电子技术发展趋势
CPU与DRAM性能比较
6
计算机原理及系统结构
第三十五讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
CACHE的基本运行原理
Cache存储单元的组成部分
数据字段：保存从主存单元复制过来的数据 标志字段：保存相应主存单元的地址信息 有效位字段：标识数据字段和标志字段的是否有效
Cache单元的大小：cache line size（几个主存字，减少标志位位 数，较少Cache总容量） Cache与主存交换数据的单位： cache line size（充分利用空间局 部性） Cache单元与主存单元的对应关系，例如：
利用率低，命中率低，效率较低
15
有 效 位
直接映像方式
CACHE
标志
数据
数 据
cache 字块 地址
比 较
主存 字块 标记
译 码
主 存 储 器
主存地址
译码 CPU
主存字块 标记
cache字块 地址
块内 地址
16
直接映像硬件实现举例
Address (showing bit positions) 31 30 13 12 11 210
10 1
ê · Ä Ý
1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
P214
4
程序的局部性原理
程序在一定时间段内通常只访问较小的地址空间
命中
数据
13
计算机原理及系统结构
第三十六讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
直接映像方式
直接映像方式：是指主存的一个字块只能映像到 CACHE的一个准确确定的字块中。 直接映像方式特点：
主存的字块只可以和固定的Cache字块对应，方式直接， 利用率低。 标志位较短，比较电路的成本低。如果主存空间有2m 块，Cache中字块有2c块，则标志位只要有m-c位。且 仅需要比较一次。
19
多路组相联硬件实现举例
Address 31 30 12 11 10 9 8 22 8 321 0
使用成本太高
11
有 效 位 标志 数据
全相联映像方式
数 据 比 较
CACHE
主 存 储 器
主存字块标记
主存地址
译码
CPU
主存字块标记 块内地址
12
全相联硬件实现举例
31 30 ……… 3 2 1 0 30
有效位 标记
0
数据
有效位 标记
1
数据
…… ……
有效位 标记
1023
数据
=
=
=
……
1024-1选择器
Byte offset
Hit
20 Tag Index
10
Data
Index Valid Tag 0 1 2
Data
1021 1022 1023 20 32
17
多路组相联映像方式
多路组相联映像方式：是对全相联映像和直接映想象的 一种折衷的处理方案。既不在主存和CACHE之间实现字 块的完全随意对应，也不在主存和CACHE之间实现字块 的多对一的硬性对应，而是实现一种有限度的随意对应。
1000 ¦ ¶ Ä û ¶ ¨Â É 100
Ü Ô Ä Ð
CPUÓ ë ÷ Ö æ ´ ¢ ´ Æ ÷Ä µ Ð Ô Ä Ü ² î ì £ Ò ¬ à ¿ Ä ê ö Ô ³ ¤50% ¶ ¬ ¯ Ì ´ æ ¢ ´ Æ ÷Ð Ô Ä Ü ¿ Ä Ã ê ö Ô ³ ¤9%
DRAM CPU
´ í ¦ À Æ ÷Ô Ð Ä Ü Ã ¿ Ä ê ö ³ Ô ¤60%
9
CACHE的3种映像方式
地址映像：把一主存单元的数据复制到CACHE中
时，还要把该主存单元的地址，经过某种函数关 系处理后写进CACHE的标志字段，这一过程被称 为CACHE的地址映像。 地址变换：在程序执行时，还要把主存地址变换 为访问CACHE的地址，这一过程被叫做CACHE 的地址变换。 CACHE存储器通常使用3种映像方式，它们是全 相联映像方式、直接映像方式、多路组相联映像 方式，3种映像方式有各自的优缺点。
完全随意对应、一对多硬性对应和多对多有限随意对应
提高Cache性能，降低成本
Cache的容量、分层组织、接入方式等方面
8
P215
CACHE的基本运行原理
地址总线
CPU
CACHE ADDR DATA 比较选一行 CACHE CONTROL
数 据 总 线
读 过 程 为 例
译码选一单元
MEMORY
多路组相联映像方式特点： 折衷方案。组间为全相连，组内为直接映像。 集中了两个方式的优点。成本也不太高。
最常用的CACHE映像方式
18
有 效 位 标志
两路组相联映像方式
比较
CACHE 比较
主存地址
主存字 块标记
译码
数 据
主 存 储 器
数据
译码
组地址
译码 CPU
主存字块 标记
组地址
块内 地址
10
全相联映像方式
全相联映像方式：是指主存的一个字块可以映像 到整个CACHE的任何一个字块中。 全相联映像方式特点：
主存的字块可以和Cache的任何字块对应，利用率高， 方式灵活。 标志位较长，比较电路的成本太高。如果主存空间有 2m块，则标志位要有m位。同时，如果Cache有n块， 则需要有n个比较电路。
地址空间
两种局部性：时间局部性和空间局部性
时间局部性：最近被访问的信息很可能还要被访问。 将最近被访问的信息项装入到Cache中。 空间局部性：最近被访问的信息临近的信息也可能被访问。 将最近被访问的信息项临近的信息一起装入到Cache中。
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高速缓冲存储器（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。 实现：这是一个存储容量很小，但读写速度更快 的，以 关联存储器方式 运行、用静态存储器芯 片实现的存储器系统。 要求：有足够高的命中率，既当 CPU需用主存中 的数据时，多数情况可以直接从CACHE中得到， 称二者之比为命中率。
计算机原理及系统结构
第三十四讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
第8章
高速缓冲存储器和虚拟存储器
本章主要内容
高速缓冲存储器（Cache）
高速缓存的基本运行原理 高速缓存的3种映像方式 高速缓存使用中的Fra Baidu bibliotek个问题
虚拟存储器概述 段式存储管理 页式存储管理
虚拟存储器
3
微电子技术发展趋势
CPU与DRAM性能比较
6
计算机原理及系统结构
第三十五讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
CACHE的基本运行原理
Cache存储单元的组成部分
数据字段：保存从主存单元复制过来的数据 标志字段：保存相应主存单元的地址信息 有效位字段：标识数据字段和标志字段的是否有效
Cache单元的大小：cache line size（几个主存字，减少标志位位 数，较少Cache总容量） Cache与主存交换数据的单位： cache line size（充分利用空间局 部性） Cache单元与主存单元的对应关系，例如：
利用率低，命中率低，效率较低
15
有 效 位
直接映像方式
CACHE
标志
数据
数 据
cache 字块 地址
比 较
主存 字块 标记
译 码
主 存 储 器
主存地址
译码 CPU
主存字块 标记
cache字块 地址
块内 地址
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直接映像硬件实现举例
Address (showing bit positions) 31 30 13 12 11 210
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ê · Ä Ý
1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
P214
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程序的局部性原理
程序在一定时间段内通常只访问较小的地址空间
命中
数据
13
计算机原理及系统结构
第三十六讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
直接映像方式
直接映像方式：是指主存的一个字块只能映像到 CACHE的一个准确确定的字块中。 直接映像方式特点：
主存的字块只可以和固定的Cache字块对应，方式直接， 利用率低。 标志位较短，比较电路的成本低。如果主存空间有2m 块，Cache中字块有2c块，则标志位只要有m-c位。且 仅需要比较一次。
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多路组相联硬件实现举例
Address 31 30 12 11 10 9 8 22 8 321 0
使用成本太高
11
有 效 位 标志 数据
全相联映像方式
数 据 比 较
CACHE
主 存 储 器
主存字块标记
主存地址
译码
CPU
主存字块标记 块内地址
12
全相联硬件实现举例
31 30 ……… 3 2 1 0 30
有效位 标记
0
数据
有效位 标记
1
数据
…… ……
有效位 标记
1023
数据
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……
1024-1选择器
Byte offset
Hit
20 Tag Index
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Data
Index Valid Tag 0 1 2
Data
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多路组相联映像方式
多路组相联映像方式：是对全相联映像和直接映想象的 一种折衷的处理方案。既不在主存和CACHE之间实现字 块的完全随意对应，也不在主存和CACHE之间实现字块 的多对一的硬性对应，而是实现一种有限度的随意对应。
1000 ¦ ¶ Ä û ¶ ¨Â É 100
Ü Ô Ä Ð
CPUÓ ë ÷ Ö æ ´ ¢ ´ Æ ÷Ä µ Ð Ô Ä Ü ² î ì £ Ò ¬ à ¿ Ä ê ö Ô ³ ¤50% ¶ ¬ ¯ Ì ´ æ ¢ ´ Æ ÷Ð Ô Ä Ü ¿ Ä Ã ê ö Ô ³ ¤9%
DRAM CPU
´ í ¦ À Æ ÷Ô Ð Ä Ü Ã ¿ Ä ê ö ³ Ô ¤60%
9
CACHE的3种映像方式
地址映像：把一主存单元的数据复制到CACHE中
时，还要把该主存单元的地址，经过某种函数关 系处理后写进CACHE的标志字段，这一过程被称 为CACHE的地址映像。 地址变换：在程序执行时，还要把主存地址变换 为访问CACHE的地址，这一过程被叫做CACHE 的地址变换。 CACHE存储器通常使用3种映像方式，它们是全 相联映像方式、直接映像方式、多路组相联映像 方式，3种映像方式有各自的优缺点。
完全随意对应、一对多硬性对应和多对多有限随意对应
提高Cache性能，降低成本
Cache的容量、分层组织、接入方式等方面
8
P215
CACHE的基本运行原理
地址总线
CPU
CACHE ADDR DATA 比较选一行 CACHE CONTROL
数 据 总 线
读 过 程 为 例
译码选一单元
MEMORY
多路组相联映像方式特点： 折衷方案。组间为全相连，组内为直接映像。 集中了两个方式的优点。成本也不太高。
最常用的CACHE映像方式
18
有 效 位 标志
两路组相联映像方式
比较
CACHE 比较
主存地址
主存字 块标记
译码
数 据
主 存 储 器
数据
译码
组地址
译码 CPU
主存字块 标记
组地址
块内 地址
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全相联映像方式
全相联映像方式：是指主存的一个字块可以映像 到整个CACHE的任何一个字块中。 全相联映像方式特点：
主存的字块可以和Cache的任何字块对应，利用率高， 方式灵活。 标志位较长，比较电路的成本太高。如果主存空间有 2m块，则标志位要有m位。同时，如果Cache有n块， 则需要有n个比较电路。