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高速緩沖器cache的原理
cpu的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于內(nèi)存，因此如果cpu只是從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，那么會花費較多的時間在等待數(shù)據(jù)上，我們希望有一種方法解決【從內(nèi)存中讀數(shù)據(jù)慢】的問題，于是有了高速緩存。
對于數(shù)據(jù)的讀取基于兩個猜想，假設(shè)我們讀取內(nèi)存地址x處的數(shù)據(jù)，那么有
內(nèi)存地址x處的數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)容易被再次訪問
內(nèi)存地址x周圍的數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)容易被再次訪問
當(dāng)一個數(shù)據(jù)要從cache中讀，L1沒有就要去L2，以此層層向下。如果在所有層上都沒有找到則訪問主存，從主存中取數(shù)據(jù)送到cpu，此時取出的數(shù)據(jù)從 主存------》 cache --------》 cpu， 如果cache已滿則用置換算法換出一塊給這個數(shù)據(jù)挪位，數(shù)據(jù)讀到了cache中以便下次查找。
由此引出：
hit 命中 —— 在cache中找到了想要的數(shù)據(jù)
miss 不命中 —— cache中沒有找到想要的數(shù)據(jù)
但是命中（hit）的方式有多種，為什么呢？這是因為cache內(nèi)部的結(jié)構(gòu)問題，這里必須要說一些cache的工作原理。
cache和主存儲器之間以塊為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而塊的大小以在主存儲器的一個周期內(nèi)能訪問到的數(shù)據(jù)長度為限，而這個數(shù)據(jù)長度并不一定只是一個字哦，如果是主存儲器采用并行或者地址交叉存取，則在主存周期內(nèi)可以訪問多個字。
因此，既然是以塊為交換單位，所以將cache和主存儲器都劃分成大小相同的塊。
主存地址：塊號B+塊內(nèi)地址W
cache地址：塊號b+塊內(nèi)地址w
這時，CPU要訪問cache時，CPU要的主存地址放在了主存地址寄存器中，通過cache-主存的地址變換部件，將寄存器要求的主存地址轉(zhuǎn)成cache中的地址，如果能在cache中找到則命中，如果不能則miss。
而主存和cache之間怎么變換的呢？其實只要映射塊號地址，主存塊號B-----》cache中的塊號b，塊內(nèi)地址不變，解決。
要想通過主存地址找到cache地址，其實是有個表來記錄的。
命中（hit）
我們在訪問一個內(nèi)存地址的時候，先查看高速緩存里面有無該地址的數(shù)據(jù)。如果有就直接從高速緩存中讀取數(shù)據(jù)，這個行為我們叫做hit，即緩存命中
未命中（miss）
如果高速緩存中沒有數(shù)據(jù)，我們需要從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，這個行為叫做miss。值得注意的是，我們一次讀取不是讀取一個內(nèi)存單元的數(shù)據(jù)，而是讀取一個【cache行】的數(shù)據(jù)，這意味著目標(biāo)地址及其附近區(qū)域的一些數(shù)據(jù)會被讀到高速緩存中，如果下次訪問鄰近的數(shù)據(jù)，就不會miss。（cache容量一般為64字節(jié)）
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直接映像
假設(shè)有4個cache行，每行16字節(jié)，那么主存中
0-15字節(jié)被映射到cache行1
16-31字節(jié)被映射到cache行2
32-47字節(jié)被映射到cache行3
48-63字節(jié)被映射到cache行4
64-79字節(jié)被映射到cache行1 這里循環(huán)往復(fù)，以4個16字節(jié)為循環(huán)長度，上圖中不同顏色的連線表示了這種循環(huán)映射
我們對內(nèi)存中的地址，直接模除64（4*16=64），看結(jié)果，如果模除結(jié)果是在0-15，那么cache行1。
cache地址： 塊號 +塊內(nèi)地址
主存地址： 區(qū)號（按照組劃分）+ 塊號（按照塊劃分） +塊內(nèi)地址
例：設(shè)主存容量為1MB，高速緩存容量為16KB，塊的大小為512字節(jié)。采用直接地址映像法。
寫出主存地址格式。
寫出Cache地址格式。
塊表的容量是多大。
畫出直接方式地址映像及變換示意圖。
解：
Cache塊數(shù)=16KB/512B=32塊
則主存每區(qū)為32塊，共1MB/16KB=64區(qū)
所以主存地址為6位區(qū)號（共64區(qū)）+5位區(qū)內(nèi)塊號（共32塊）+9位塊內(nèi)地址（塊容量512B，按字節(jié)編址）
所以Cache地址為5位區(qū)內(nèi)塊號，9內(nèi)塊內(nèi)地址（相當(dāng)于主存的一個區(qū)）
自然的，塊表的容量為32*6位（表示Cache32個塊中分別存了第幾區(qū)的主存塊）
示例
假設(shè)每次訪問的都是映射到同一行的內(nèi)存塊，那么會不斷的miss，因為就一塊cache，大家一起用，互相覆蓋，造成miss率高
優(yōu)點是電路搭建簡單，成本低。缺點是miss率很高
全相聯(lián)映像
全連接映射顧名思義，誰都能映射。任意內(nèi)存塊，可以被映射到任意cache行。可以將cache看作一個list，只要list未滿，就載入最前的一個空cache行，直到cache滿，然后淘汰掉舊行，載入新行。
示例：
全連接映射hit率很高，因為大家公用所有cache，而不是像直接映射一樣大家共用一個cache行。缺點是硬件實現(xiàn)很復(fù)雜，成本非常高（有n個cache行，就要有n個地址的比較電路來判斷地址是否在行內(nèi)）
多路組相聯(lián)映像
組映射將cache分組，一個cache組包含多個cache行，而內(nèi)存塊以直接映射的形式，先映射到對應(yīng)的組上，然后再以全連接映射的方式，再組內(nèi)尋找對應(yīng)到的cache行。
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根據(jù)上面的圖：我們知道cache被分為了8組，每組又分為了2塊，右邊主存部分被分成了256個區(qū)，每個區(qū)8塊，每個區(qū)的8塊與cache中的8組不是巧合，而是為了實現(xiàn)組間直接映射，然疑問來了，當(dāng)主存的某一塊按直接映射方式規(guī)則進(jìn)行映射后到了cache中相應(yīng)的組，而此時在cache中每組有兩塊，這時候就是實行組內(nèi)全映射。
前面我說過組相聯(lián)映射是直接映射和全相聯(lián)映射的一個折中形式，那么必然也就存在下面?zhèn)z種特殊的形式：
當(dāng)cache中每組內(nèi)的塊數(shù)變?yōu)?時，這就變成了直接映射；
當(dāng)cache中只有一組時，這就變成了全相聯(lián)映射。
組相聯(lián)映射相對應(yīng)的主存地址格式（和直接映射方式很像，只是塊號變成了組號）：
優(yōu)缺點：綜合了上述兩種映射，暨能做到組間直接映射，又能做到組內(nèi)全連接映射，在成本和效率上有所折中，是折中的平衡方案。
下面以一道例題為例：
某計算機(jī)按字節(jié)尋址，主存有2K個塊，每塊32個字節(jié)。 Cache由64個塊組成，每組8塊（8路組相聯(lián)）。請表示主存地址格式。給內(nèi)存地址為A21FH和C028H兩個地址對應(yīng)的標(biāo)記、組號和字號。
我的解法思路是：
字號：每塊32個字節(jié)，即 32=2^5,故字號5位。
組號：Cache由64個塊組成，每組8塊，即64/8=8=2^3，故組號3位。
區(qū)號標(biāo)記：主存有2K個塊，又因為我們知道組間是直接映射(所以把cache中的組數(shù)看作直接映射中的塊)，即2k/8=2^8,故區(qū)號8位。
所以，主存格式為：區(qū)號8位、組號3位、字號5位。
又A21FH=1010001000011111B
故對應(yīng)的標(biāo)記：10100010，組號：000，字號：11111
同理C028H=1100000000101000B
故對應(yīng)的標(biāo)記：11000000、組號：001、字號：01000
組相聯(lián)映射總結(jié)：
優(yōu)點：塊的沖突概率比較低，塊的利用率大幅度提高；
缺點：實現(xiàn)難度和造價要比直接映射高。
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