高速缓冲存储器

目的：避免CPU“空等”现象

存储器的三级：

最右侧还有辅存没有画出来

复习：

• CPU一般跟缓存打交道
• CPU在缓存里找不到数据时，偶尔跟主存打交道
• CPU在主存里依然找不到数据时就不找了，不会去辅存找，直接把进程挂起

CPU和缓存、主存交换数据的依据：程序访问的局部性原理

Cache的工作原理

（1）Cache的工作原理
主存和缓存按块存储，主存的块数为$M$，缓存的块为$C$，$M>>C$（因为缓存很小）
但是主存和缓存的每一块的大小完全相同

（2）命中与未命中
命中：主存块调入缓存，主存块与缓存块建立了对应关系（地址映射）
未命中：主存块未调入缓存，主存块与缓存块未建立对应关系

（3）Cache的命中率
命中率：CPU欲访问的信息在Cache中的比率
命中率与Cache的容量与块长有关
块长取一个存储周期内从主存调出的信息长度

Cache基本结构

Cache的三个结构：

1. 地址映射变换机构：主存地址块号通过地址映射变换机构映射到Cache地址块号
2. Cache存储体：将Cache地址存储Cache存储体
3. Cache替换机构：存储体满了以后通过Cache替换结构替换Cache中的存储块

Cache的读写操作：

读：

地址总线同时将地址传给Cache和主存，两边并行工作

写
Cache和主存的一致性（因为cache的内容是部分主存内容的副本，应该与主存内容保持一致。）

写策略有两种：

• 写直达法
  写操作时数据既写入Cache又写入主存
  写操作时间就是访问主存的时间（写速度慢），读操作时不涉及对主存的写操作，读操作比较简单（读速度快）
• 写回法
  写操作时只把数据写入Cache而不写入主存，当Cache数据被替换出去时才写回主存
  写操作时间就是访问Cache的时间（写速度快），读操作Cache失效发生数据替换时，被替换的块需写回主存，增加了Cache的复杂性（读速度慢）

Cache-主存地址映射

1. 直接映射

某一主存块只能固定映射到某一缓存块，但一个缓存块对应多个主存储体字块
优点：简单
缺点：效率低，块冲突发生率高。

2. 全相连映射

主存中的任一块可以映射到缓存中的任一块
优点：Cache使用率高，块冲突发生率低
缺点：成本高

3. 组相联映射

某一主存块只能映射到某一缓存组中的任一块
组间：一组主存储器字块和一组Cache字块一一对应
组内：同组内主存体的任一块可以映射到通组内缓存中的任一块

替换算法，跟OS里学的一样

1. 先进先出（FIFO）算法
2. 近期最少使用（LRU）算法
3. 最优算法（透视未来用于比较算法好坏的那种）