Cache

为了解决 处理器 与 主存储器 之间的速度不匹配问题，引入了高速缓冲存储器 (Cache)。

引入背景 重点

• 矛盾：现代计算机存在“高速 CPU 与低速主存”之间的速度鸿沟。
• 依据：Cache 的有效性基于 程序局部性原理。

物理特性

• 材质工艺：通常采用与 CPU 内部寄存器相同的 SRAM 工艺，访问速度极快。
• 物理位置：由于工艺一致，通常被封装在处理器芯片内部。

Cache 的分级体系

现代处理器通常采用三级 Cache 结构以平衡速度与成本：

• L1 Cache (一级): 访问速度最快，容量最小。通常采用哈佛结构（指令 Cache 与数据 Cache 分离），允许 CPU 同时读取指令和数据以提升性能。
• L2 Cache (二级): 速度略慢，容量稍大。
• L3 Cache (三级): 通常为多核心共享，容量最大。

访存逻辑

CPU 发出主存地址，同时查找 Cache。

• 命中 (Hit): 直接访问 Cache。由于局部性原理，命中率通常非常高。

• 不命中 (Miss): 访问主存，并将数据所在块调入 Cache。

• 性能评估

  Cache性能分析

  用于评估 Cache 对系统性能的提升程度。

  1. 命中率 (Hit Rate, H)

  CPU 访存时，在 Cache 中找到所需数据的概率。

  • 公式: $H=\frac{N_c}{N_c+N_m}$
    • $N_c$: 访问 Cache 命中的次数。
    • $N_m$: 访问主存的次数（未命中）。

  2. 平均访问时间 ($T_a$)

  • 通用公式: $T_a=H\times T_c+(1-H)\times T_m$
    • 一般教科书在讲 Cache 效能时采用此公式。凡是大型考试一律以此为准。 重点
  • 蒋本珊教材公式: $T_a=H\times T_c+(1-H)\times (T_c+T_m)$
    • 仅在蒋老师的教科书中使用，反映了先访问 Cache 后访问主存的逻辑差异。

  3. 访问效率 ($e$)

  • 公式: $e=\frac{T_c}{T_a}\times 100\%$
  • 效率反映了 Cache 带来的加速比。理想情况下 $e$ 越接近 100% 越好。

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• 映射方式

  Cache映射方式

  映射方式决定了主存块如何放置到 Cache 的行中。

  1. 全相联映射 (Fully Associative)

  • 规则: 主存中的任意一块可以装入 Cache 中的任意一行。
  • 优点: 灵活，块冲突概率最低，Cache 利用率高。
  • 缺点:
    • 地址变换复杂，需要查阅目录表（或使用昂贵的相联存储器进行并行查找）。
    • 查表过程会增加访问延迟，影响 Cache 访问速度。 重点

  2. 直接映射 (Direct Mapping)

  • 规则: 每个主存块只能映射到 Cache 的固定行中。
    • 公式: $\text{Cache 行号}=\text{主存块号}(\mathrm{mod}\text{Cache 总行数})$。 重点
  • 优点: 地址变换速度最快，硬件简单。
  • 缺点: 块冲突概率最高，容易出现“抖动”现象。

  

  3. 组相联映射 (Set-Associative)

  组相联映射是直接映射与全相联映射的折中方案，是现代计算机最常用的方式。

  • 逻辑结构:

    • 将 Cache 分成 $Q$ 个组 (Set)，每组包含 $k$ 个行 (Line)。
    • 若每组包含 $k$ 个行，则称为“$k$ 路组相联”（例如图片中每组有 2 行，即为 2 路组相联）。

  • 映射规则:

    • 组间直接映射: 主存块号按模运算决定其所属的 Cache 组号。
    • 组内全相联: 主存块可以存入所属 Cache 组内的任意一行。 重点

  • 数学公式:

    • $\text{Cache 组号}=\text{主存块号}(\mathrm{mod}\text{Cache 组数 }Q)$

  • 图片逻辑解析:

    • 主存分区: 主存被划分为若干个区（如区 0、区 1…），每个区的块数等于 Cache 的组数 $Q$。
    • 映射关系: 主存每个区中相对位置相同的块，映射到同一个 Cache 组。例如：
      • 区 0 的 0 号块、区 1 的 0 号块（全局 4 号块）均映射到 Cache 的 组 set0。
      • 进入组内后，该块可以放置在 set0 的第 0 行或第 1 行中的任何一个。

  • 特征: “组间直接，组内全相联”。

  • 优点:

    • 兼顾了直接映射的低成本（查找范围缩小到组内）和全相联的高利用率（组内有多个位置可选）。
    • 有效降低了块冲突（抖动）的概率。 重点

  

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• 一致性策略:

  • 写全法 (Write-through): 同时写入 Cache 和主存。
  • 写回法 (Write-back): 只写 Cache，仅在块被替换时才写回主存。 重点

Circular transclusion detected: 计算机组成体系原理/Cache映射方式