计算机组成原理：存储系统【二】

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🔥 系列专栏：计算机组成与原理基础

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• [🛰️1 Cache概述](#🛰️1 Cache概述)
• • [🛩️1.1 局部性原理](#🛩️1.1 局部性原理)
  • • [🛫1.1.1 空间局部性](#🛫1.1.1 空间局部性)
    • [🛫1.1.2 时间局部性](#🛫1.1.2 时间局部性)
  • [🛩️1.2 性能指标](#🛩️1.2 性能指标)
  • • [🛫1.2.1 解释](#🛫1.2.1 解释)
    • [🛫1.2.2 例题](#🛫1.2.2 例题)
    • [🛫1.2.3 待解决的问题](#🛫1.2.3 待解决的问题)
  • [🛩️1.3 知识总结](#🛩️1.3 知识总结)
• [🛰️2 Cache与主存的映射](#🛰️2 Cache与主存的映射)
• • [🪂2.1 知识总览](#🪂2.1 知识总览)
  • [🪂2.2 全相联映射（随便放）](#🪂2.2 全相联映射（随便放）)
  • • [🛸2.2.1 要点](#🛸2.2.1 要点)
    • [🛸2.2.2 CPU访问主存](#🛸2.2.2 CPU访问主存)
  • [🪂2.3 直接映射（只可以放在固定位置）](#🪂2.3 直接映射（只可以放在固定位置）)
  • • [🛸2.3.1 要点](#🛸2.3.1 要点)
    • [🛸2.3.2 改进](#🛸2.3.2 改进)
    • [🛸2.3.3 缺点](#🛸2.3.3 缺点)
    • [🛸2.3.4 CPU访存](#🛸2.3.4 CPU访存)
  • [🪂2.4 组相联映射（可放到特定分组）](#🪂2.4 组相联映射（可放到特定分组）)
  • • [🛸2.4.1 要点](#🛸2.4.1 要点)
    • [🛸2.4.2 CPU的访存](#🛸2.4.2 CPU的访存)
  • [🪂2.5 总结](#🪂2.5 总结)
• [🛰️3 Cache替换算法](#🛰️3 Cache替换算法)
• • [🚀3.1 总览](#🚀3.1 总览)
  • [🚀3.2 随机算法（RAND）](#🚀3.2 随机算法（RAND）)
  • • [✈️3.2.1 解释](#✈️3.2.1 解释)
    • [✈️3.2.2 缺点](#✈️3.2.2 缺点)
    • [✈️3.2.3 优点](#✈️3.2.3 优点)
    • [✈️3.2.4 示例](#✈️3.2.4 示例)
  • [🚀3.3 先进先出（FIFO）](#🚀3.3 先进先出（FIFO）)
  • • [✈️3.3.1 解释](#✈️3.3.1 解释)
    • [✈️3.3.2 实例](#✈️3.3.2 实例)
    • [✈️3.3.3 优点](#✈️3.3.3 优点)
    • [✈️3.3.4 缺点](#✈️3.3.4 缺点)
  • [🚀3.4 近期最少使用算法（LRU）](#🚀3.4 近期最少使用算法（LRU）)
  • • [✈️3.4.1 解释](#✈️3.4.1 解释)
    • [✈️3.4.2 实例](#✈️3.4.2 实例)
  • [🚀3.5 最不经常使用算法（LFU）](#🚀3.5 最不经常使用算法（LFU）)
  • • [✈️3.5.1 解释](#✈️3.5.1 解释)
    • [✈️3.5.2 实例](#✈️3.5.2 实例)
    • [✈️3.5.3 缺点](#✈️3.5.3 缺点)
  • [🚀3.6 总结](#🚀3.6 总结)
• [🛰️4 Cache写策略](#🛰️4 Cache写策略)
• • [🚁4.1 总览](#🚁4.1 总览)
  • [🚁4.2 写命中](#🚁4.2 写命中)
  • • [4.2.1 写回法](#4.2.1 写回法)
    • [4.2.2 全写法](#4.2.2 全写法)
  • [🚁4.3 写不命中](#🚁4.3 写不命中)
  • • [🚟4.3.1 解释](#🚟4.3.1 解释)
    • [🚟4.3.2 写分配法](#🚟4.3.2 写分配法)
    • [🚟4.3.3 非写分配法](#🚟4.3.3 非写分配法)
  • [🚁4.4 多级Cache](#🚁4.4 多级Cache)
  • • [🚟4.4.1 解释](#🚟4.4.1 解释)
    • [🚟4.4.2 注意](#🚟4.4.2 注意)
  • [🚁4.5 总结](#🚁4.5 总结)
• [🛰️5 总结](#🛰️5 总结)

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🛰️1 Cache概述

🛩️1.1 局部性原理

🛫1.1.1 空间局部性

（1）解释

（2）说明

比如说一个数组，当我们访问a[0][0]时，其接下来的a[0][1]、a[0][2]也很有可能被接着访问，这就是局部性原理

而对于指令也是一样，一个程序中的指令通常是被顺序存放的，CPU访问了一条指令后，对于其周围的指令是很有可能接着去访问的

🛫1.1.2 时间局部性

（1）解释

（2）说明

对于一条循环指令来说（for(int i=1,i<10,i++))，i=1的加法，在未来的i=2的时候也要用到。这就是时间局部性

3. 基于局部性原理，可以将CPU目前访问的地址"周围"的部分数据放进Cache中，这样可以大幅提升CPU的运行速度

🛩️1.2 性能指标

🛫1.2.1 解释

上述的命中率是CPU分别在Cache、主存中找数据的情况，CPU也可以同时在Cache、主存中寻找数据，此时的平均访问时间就是

🛫1.2.2 例题

🛫1.2.3 待解决的问题

Cache是取目前访问的地址的"周围"的数据，那么如何界定周围？

注意：

🛩️1.3 知识总结

🛰️2 Cache与主存的映射

🪂2.1 知识总览

解决Cache与主存的数据块的对应关系的问题

🪂2.2 全相联映射（随便放）

🛸2.2.1 要点

（1）主存块可以放在Cache的任何一块上

（2）Cache中的每块都设置了一个标记位记录该主存块的地址，对于未存放数据的Cache块标记位已全0展示

（3）但是地址位为全0的主存块实际上是有资源的，所以还需要设置一个有效位（1代表有数据，0代表无数据）

🛸2.2.2 CPU访问主存

（1）前提：主存地址空间为256MB，每块行长为64kb，则：

假设CPU访问地址为：1...1101 001110

🪂2.3 直接映射（只可以放在固定位置）

🛸2.3.1 要点

（1）使主存地址对Cache内存块个数取余，得到的数字就是该主存块应该存放的Cache块编号

（2）设置了标记位与有效位，与全相联映射一致。

🛸2.3.2 改进

考虑到该方法需要将主存地址对Cache总块数取余，即地址的后三位实际上对应的是Cache块的编号，那么在Cache的标记位上，可以直接截取主存地址的前19位，因为后3位分别为000-111。

🛸2.3.3 缺点

对于一个特定的主存块来说，假如其对应的Cache内存块没有空间，那么即使其他Cache块有空间，该主存块也不可以放到有空间的Cache块中去。

🛸2.3.4 CPU访存

🪂2.4 组相联映射（可放到特定分组）

🛸2.4.1 要点

（1）将Cache块分组，主存块需要对组数进行取余，根据结果决定改主存块要放在那个Cache块组中。

（2）设定标记位与有效位

（3）标记位的改进方法与直接映射类似，对于一个块数为8的Cache，对地址位为22位的主存地址只需要保存前20位就可以了。（2^22/2^2）

🛸2.4.2 CPU的访存

🪂2.5 总结

🛰️3 Cache替换算法

🚀3.1 总览

🚀3.2 随机算法（RAND）

✈️3.2.1 解释

✈️3.2.2 缺点

✈️3.2.3 优点

实现简单，原理简单

✈️3.2.4 示例

注意：当CPU在Cache中未访问到目标数据而去主存寻找时，找到的数据要立即放入Cache中去

🚀3.3 先进先出（FIFO）

✈️3.3.1 解释

✈️3.3.2 实例

✈️3.3.3 优点

✈️3.3.4 缺点

且容易出现抖动现象

🚀3.4 近期最少使用算法（LRU）

✈️3.4.1 解释

对于第一条，我们当然也可以使其加1，但是不加1其实也可以达到效果。

✈️3.4.2 实例

🚀3.5 最不经常使用算法（LFU）

✈️3.5.1 解释

✈️3.5.2 实例

✈️3.5.3 缺点

🚀3.6 总结

LRU的Cache的命中率最大，效果最好

🛰️4 Cache写策略

🚁4.1 总览

🚁4.2 写命中

解释

CPU要对一个地址进行写操作，而且这个地址已经被调入了Cache，发生了命中的情况

4.2.1 写回法

1. 解释

这样做避免了每次写都将数据写回主存，节省了一些写的时间

2. 注意

为了让CPU知道Cache是否发生了写操作，还需要对每个Cache块增加一个"脏位"，该位数值为1代表已经修改，为0代表没有修改

3. 示意图

缺点

存在数据不一致的隐患

4.2.2 全写法

1. 解释

2. 注意

为了增加CPU将数据写入主存的速度，可以增加一个由SRAM（速度较快）实现的缓冲队列，CPU先将数据放入缓冲队列，当CPU暂时不再进行写操作时，缓冲队列在专门的控制电路下将数据写入主存

3. 示意图

4. 缺点

🚁4.3 写不命中

🚟4.3.1 解释

当CPU需要对一个地址进行写操作，且这个数据不在Cache中的时候，CPU回将数据调入Cache中

🚟4.3.2 写分配法

1. 解释
   

2. 示意图
   

🚟4.3.3 非写分配法

1. 解释
   

2. 也就是说，当不命中时，CPU对某个地址进行写操作时不讲数据调入Cache，只有在进行读操作时才将数据调入Cache。因为具备全写法中直接对主存进行修改的特性，所以通常搭配全写法使用

3. 示意图
   

🚁4.4 多级Cache

🚟4.4.1 解释

🚟4.4.2 注意

低级Cache中保存的是主存的副本，而高级Cache保存的是低级Cache的副本，所以多级Cache中也存在数据同步的问题。一般来说：

🚁4.5 总结

🛰️5 总结

计算机组成原理如一座精密的交响乐团，微观中展现着电子的舞蹈，宏观中奏响着科技的交响曲。

它拆解复杂问题为简单指令，通过微处理器的默契协作，创造出无尽可能。

存储单元如记忆的灯塔，指引信息的航程。

总线是信息的大道，连接着各个功能模块，使计算机成为无比高效的智慧之器。

在计算机组成原理的魔法指导下，世界逐渐变得更加智能、便捷、创新。

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