16.第16节课第三章存储器层次结构

罗泽兵 · 发表于 2024-4-15 08:59:51

同学们大家好，我们接下来看一下我们本章当中的第六节内容，高速缓冲存储器。高速缓冲存储器，也就是我们的cache。本章当中所讲到的有这以下四块内容。第一小节的知识点是catch的基本工作原理，第二节的知识点我们会讲到catch和组成之间的一个映射方式。第三块内容讲到的是catch中组成块的一个替换算法。第四节当中，我们会讲到catch的一个写策略。这也是我们本章当中的内容的主要知识点，也是我们比较重要的一个地方，是我们考试当中的一个重要考点。那么，

我们接着往下看。高速缓冲存储器为什么会出现呢？我们为什么会有一个高速缓冲存储器呢？它是为了解决CPU和储存的速度的一个差异的问题，避免CPU出现一个空能的现象。我们知道CPU的数处理数据的速度是比较快的，但是储存的速度就比较低。那这样的话CPU和主存之间存在一个速度上的一个差异，因此我们出现了我们的缓存。缓存它的特点是容量小，但是速度高，组存的特点是我们的容量比较大，但是读写的速度比较低。在主存与CPU之间，我们加了一个缓存，

从而有效的去解决了CPU和主存之间一个速度的差异问题。我们要了解到的知识点，还有就是程序访问的一个局部性原理。在我们访问程序的时候，有一个局部性的原理，局部性原理分为两种。一个是时间局部性，另一个是空间局部性，什么是时间局部性原理呢？就比如说我们用到一个循环的程序啊，现在我们用到这个信息，我们待会可能循环到。下一次的时候还会用到这个信息，也就是说我们现在使用的信息在最近的未来。还会用到。

这就是我们的时间，局部性，再就是我们所说的空间，局部性啊，也就是说嗯，在近最近的未来，要使用的信息和现在使用的信息。在空间上是临近的，比如说我们顺序存放顺序执行啊，这是我们空间局部性。我们的高速缓存，它是什么意思呢？它是程序正在使用的部分。啊，存放到一个高速度的存储容量较小的一个catch当中啊，

存放在我们一个。速度比较高的嗯，存储器当中啊，容量比较小的一个开始当中，这就是我们所说的高速缓冲存储器好，那我们知道了什么是高？高速缓冲存储器，高速缓冲存储器解决的问题是什么？那我们接着往下看，第一块内容，第一个知识点。就是我们的catch的一个工作原理啊catch的工作原理。再看开锁的工作原理。的时候我们先看一个储存的缓存编制，储存和缓存的编制。

我们看到这张图啊，看到这张图主存储器还有。由组存储块号和块内地址两部分来组成啊，如果说它有m个。主存组块，那么它有它的块内地址是b个字啊b个字好，我们的缓存啊缓存对应的是它的一个。缓有也有两部分组成是缓存块号和块内地址，我们要注意的是我们缓存的块内地址和我们组存的块内地址的。位数是相同的，都是b位啊，有b的，有大b的字嗯，然后我们的呃缓存的存储容量要远远小于我们主存的存储容量。如果它缓存的块号有c块，

那我们组成的块号有m块，那m要远远大于c的啊m是要远远大于c的。每块啊，每个块它会有若干个字节组成大小是块长嗯。开始中块数远远小于组成的块数，也就是我们的c远远小于我们的m啊c块小于我们的m块。同时，我们组存和缓存都是按照块进行存储的啊。块的大小是相同的，也就块内地址的位数是相同的嗯，我们是怎样进行装入开始的数据呢？它是按策略去预测未来，访问存储，访访存数据来装入我们cache是按策略去预预测未来，访存数据来装入我们cache数据。

这是组存和缓存的编制，我们要知道的是，组存的编制是怎么样的？组存是由哪两块来组成的？有我们的组成块号和块的地址。缓存也有我们的缓存块号和块内地址啊，这里要注意的是储存和缓存的啊，和缓存都是按块进行存储的，同时它们块的大小是相同的。啊，这是组存和缓存的编制。那么，我们catch的呃基本结构是什么样子呢？catch它是位于存储器层次结构的顶层，由SRAM来构成的。

由SM来构成的，如果说我们CPU发出一个读的请求啊，发出读的请求仿存地址在catch当中，如果命中的话，我们。就说明catch当中有相应的数据，我们就读catch啊，如果仿存地址在catch当中，没有命中的话。我们就会去读组存啊，进行两步啊，读组存，并且把此字所在的。块调入我们的catch当中，如果说catch已经满了，

这我们就要需要替换catch的。某块信息啊，我们要注意的是，某些计算机它可能会同时去访问主存和catch。同时，访问组成和catch CPU和catch。字是以字为单位，而catch和组存啊是以块为单位的。来，我们接着往下看catch的基本结构啊，看一下这张图呃，如果说我们c这张图当中有地址，总线和组存。CPU还有我们的cache，还有就是cache存储体啊，

下面还有一个数据总线，如果CPU要读取一个数据。啊，读取一个数据。我们嗯。好，接着往下看catch的基本结构啊，我们看这张图有地址，总线CPU储存和数据总线。在这中间呢，我们有组存，还有我们的catch啊，组成的块号啊，有块块号和块内壁纸来组成。catch的地址是块号和块内地址组成，

如果CPU要进行一个读数据，那我们叫。访访问catch啊如果说。命中的话，我们直接从存直接从catch的存储体当中去读取数据。啊，如果说没有命中那么话，那么我们就进行下一步的操作。是否判断是否可以装进啊？也就是说我们的catch当中是否有呃，是否是空的，是否有空的可以装入数据？如果是的话，那我们就访问主存装入cache，如果没有的话，

我们就执行替换机构执行cache的替换机构啊。执行替catch的替换机构访问主存替换catch的内容，这是我们catch的一个基本结构框图，还有它的一个读数据的一个操作。都是由CPU进行超执行和完成的，那么接着我们看一下，我们再看到那个。catch块的时候刚刚不知道同学们有没有注意到catch，前面有一个标记，那么标记是什么呢？它是由CPU，那它是由catch的块，因为catch。那么，标记是什么呢？

呃，由于catch的块儿远远小于组成的块数，因此一个catch。不能唯一的永久的，只对应一个组成号，在开始中每块。外加有一个标记来指明它是组成的哪一块副本，所以该标记的内容包含组成块的一个编号。catch它就是一个组成的一个副本啊，但是因为catch的组成块数远远小于了咱们的组成的块数，所以说catch它并不是说唯一的永久的只对应。一个组成啊，因此我们在开始中就会给它加一个标记啊，来指明它是标的组成的哪一块的内容啊，哪一块内容？

比如说我们组存的地址是这个有组成块号和块内地址啊，组成块号有n块块内地址有k个字。那组成的地址是由LV来组成的，哈lvl=s+w啊s+w。那么，我们对应的catch的呃缓存的呃地址是什么样子呢？它是sv嗯，这个是表示的是一个。缓存的块号啊，缓存块号里面有标记和块号标记是代表着t位和r是。八位是快号那块内地址的话，就是我们呃主存的地址，它们的位数是相同的，都是w位。那的地址是块号，

加上块内地址，前面他还要加上一个什么呀？标记位标记位那标记的长度就等于s位。和我们的组成块号的长度是一样的，而块内地址的长度嗯，和我们的块内地址长度是一样的，是有wv和kw v，也就是k个字。这是我们的标记啊，标记的有效位指的是什么？标记有效位指的是什么啊？每个标记设置有一个有效位啊，机器加电启动时rest信号加。将所有标记的有效位置零啊，即无效，

当它是零的时候，标记为是零的时候是无效的。啊，程序执行过程当中，逐步将指令块和数据块从组存中调入开始中的某一块。并将这一块标记的有效位置一，也就是说我们catch当中有有效位和组成当中，将组成当中的某一块调入到咱们catch中了，那我们将。catch的标记位置一啊，当再次用到这一块中的指令或数据时，就可以直接从catch当中。取指令或者是取相关的数据。质一的时候表示，某组形块已经掉入开始相对应的块中啊，

质零的时候表示还没有任何。组成块掉入开始相对应的块中。如果是质一，那我们当再次使用的时候就可以直接从case当中去读，写数去读数据或者取。指令啊，如果是零的话，表示它没有那么可以把它进行存放啊，把开始把组存当中的数据调入到咱们的开始当中。这是我们的标记的含义啊的内容。那么，我们看完以上两个知识点之后，我们来看一下什么是命中，什么是未命中是吧？我们刚刚也有提到过，

如果说cpu访问。嗯，信息的时候开始当中能够命中能够有这个信息，那我们直接从开始当中去读取信息，如果没有命中，那我们就需要从主权当中。读信息，并且呢，将组成中的信息调入到catch中啊，那我们的命中哈呃，我们命中。就是指的。态词当中有相应的信息那么缓存，共有c块啊，组存共有m块的话，

我们刚刚也提到。储存的容量是远远大于缓存的容量的，那么m就远远大于cm大，远远大于c。命中指的是储存块调入缓存啊。未命中是组存块，没有掉入缓存，没有掉入缓存啊，命中的时候我们组存块与缓存块建立了对应的联系啊，建立了对应的联系，那标记。就标记成什么标记为一，它有它的一个对应的联系啊，标记出咱们是哪一块组成的内容？那如果是未命中，

也就是说缺失的话，组成块与缓存块是没有建立联系的，没有建立联系的。用标记记录某缓存块建立了对应关系的组成块号，这就是我们刚刚所说到的标记的作用啊，它是用于。用标记来记录与某缓存块和建立了对应联系的主存块号的。这是我们的命中和命中率，那么我们知道了命中和命中率之后，我们来看一下开始的命中率啊呃，知道了命中。那我们知道这是我们的命中和未命中，我们知道了命中和未命中之后，我们来看一下catch的命中率。CPU与访问的信息在catch中的比率，

它指的是CPU要访问的信息在catch中所占的一个比率。我们的一个公式是h=nc除，以nc+nm，这里的nc指的是？总的命中次数次数am是指的访问子群的次数啊。用总的命中次数，除以总的命中次数，加上访问组存的次数，就等于我们CPU预访问的信息。在catch中的一个比率就是我们的命中率。未命中率和缺失率是什么啊？命中率与catch的容量啊块长catch与主存的映射都有关系。一般每块可取四到八个字，通常取一个存取周期内从主存调取的。信息的长度啊，

16位交叉体，16体交叉跨长取16个存储字。四体交叉画上去四个纯数字，这是我们的这个概念命中率。好，那我们来看一下嗯catch的储存系统效率是什么啊？catch储存系统平均访问时间是什么？设cache命中率为h访问cache的时间为tc访问组成的时间为TM。那我们的ta也就是说我们组存系统平均访问时间ta它等于我们catch的命中率h乘以。我们访问catch的时间tc+1-h，也就是未命中率乘以访问组存的时间啊。catch的未命中率乘以访问组成的时间就是我们的。再加上我们的h就是命中率乘以k问的时间的和等于主垂系统的平均访问时间。那我们知道了组存系统的平均访问时间，我们就很容易去算我们系统的一个效率。

啊，系统的效率与我们的命中率是有关的，它等于我们访问catch的时间PC。所以我们平均访问的时间。也就等于e=tc除以个h×tc+1-h×tm。啊，也就是系统的效率余物等于我们访问catch的时间除以。我们什么储存系统平均访问的时间啊，就是我们存存平均访嗯，储存系统平均访问时间又等于。我们开始的命中率乘以访问开始的时间，加上我们未命中率乘以主存的访问时间。这是我们组存系统的一个效率好，我们知道了我们这些概念之后，我们来看一个例子例子。

CPU执行一段程序时k次完成，存取的次数为1900次，组存完成，存取的次数为100次。已知k次存取周期为50纳米。主存存储周期为250纳秒，求cache的命中率cache储存系统效率和平均访问时间。好，我们根据我们的公式啊，我们可以算我们catch的命中率h=nc。除以个nc+am的和，也就是等于我们开成完成存取的次数1900次。除以1900+100得到我们的catch的命中率是零点九五。那我们的ta也就是我们的平均访问时间，我们利用公式等于s×tc+1-h×tm。

也就是零点九五×50，加上我们的零点零五×250。得到我们的ta，那我们计算出等于60纳米再算我们的组成系统的呃，效率e=tc÷ta。啊，就等于我们的50啊，除以60等于百分之八十三点三。就是用组存的存取周期去除，以我们的平均访问时间。这是我们的一个计算题啊，这是在计算题当中会有可能考到的，所以我们要理解知道什么是。呃，我们的。

命中率知道什么是系统的效率，它们的计算公式是什么？还有我们的平均访问时间的计算公式是什么？好，这是我们接着往下看。我们看我们的第二个知识点catch的组存的地址映射我们嗯，刚刚讲完了我们的一些概念，然后我们再看我们的地址组成的地址映射。啊，什么是组成的地址映射啊，就是把组成地址空间映射到我们的catch地址空间catch和组成的地址映射，就是把组成的地址空间。映射到catch的地址空间，我们有三种方法，第一个是直接映射，

第二个是我们的全相连映射。第三个是主相连映射，那我们首先看一下直接映射，直接映射，它是指的我们每一个缓存块和若干个。组成块直接进行一个映射啊，直接进行一个映射，比如说我们这张图当中啊t位的cash存储体就是有t位的cash存储体。还有我们的主存储体啊，主存储体。那我们可以看到，在直接映射的过程当中，我们字块零对应的是在组群体主体当中的字块零。还有字块二的c次方和字块二的c+1次方，也就是我们的开始存储体当中。

嗯，字块零字块一到字块二的c次方减一对应的是我们主存出题当中的字块零字块一到字块二的c次方减一。好，同样的，在下一组当中，我们的字块零对应的是字块二的c次方啊，字块一对应的是二的。这块二的c次方加一等等等，然后再下一组进行再一个直接的映射，这是我们的。和直接映射的一个关系。我值得我们注意，并且要知道的是，我们组存储体体的一个。地址是什么啊？

它是由主存储体主存储字块标记和catch的。字块地址以及。字块内。

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