主存与cache有什么区别
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Storm代理
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2013-10-23
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主存一般是指内存,cache就是高速缓存,当CPU读取数据时会第一时间向cache提取,如果cache没有的话,就向内存提取,说白了职cache就是为了减轻内存的压力而设计的
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2013-10-23
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所谓映象问题是指如何确定Cache中的内容是主存中的哪一部分的拷贝,即必须应用某种函数把主存地址映象到Cache中定位,也称地址映象。当信息按这种方式装入Cache中后,执行程序时,应将主存地址变换为Cache地址,这个变换过程叫作地址变换。地址映象方式通常采用直接映象、全相联映象、组相联映象三种。
1.直接映象
每个主存地址映像到Cache中的一个指定地址的方式,称为直接映象方式。在直接映象方式下,主存中存储单元的数据只可调入Cache中的一个位置,如果主存中另一个存储单元的数据也要调入该位置则将发生冲突。地址映像的方法一般是将主存空间按Cache的尺寸分区,每区内相同的块号映像到Cache中相同的块位置。一般地,Cache被分为2N块,主存被分为同样大小的2M块,主存与Cache中块的对应关系可用如下映像函数表示:j = i mod 2N。式中,j是Cache中的块号,i是主存中的块号。
直接映象是一种最简单的地址映像方式,它的地址变换速度快,而且不涉及其他两种映像方式中的替换策略问题。但是这种方式的块冲突概率较高,当称序往返访问两个相互冲突的块中的数据时,Cache的命中率将急剧下降,因为这时即使Cache中有其他空闲块,也因为固定的地址映像关系而无法应用。
2.全相联映象
主存中的每一个字块可映像到Cache任何一个字块位置上,这种方式称为全相联映像。这种方式只有当Cache中的块全部装满后才会出现块冲突,所以块冲突的概率低,可达到很高的Cache命中率;但实现很复杂。当访问一个块中的数据时,块地址要与Cache块表中的所有地址标记进行比较已确定是否命中。在数据块调入时存在着一个比较复杂的替换问题,即决定将数据块调入Cache中什么位置,将Cache中那一块数据调出主存。为了达到较高的速度,全部比较和替换都要用硬件实现。
3.组相联映象
组相联映象方式是直接映象和全相联映象的一种折衷方案。这种方法将存储空间分为若干组,各组之间是直接映像,而组内各块之间则是全相联映像。它是上述两种映像方式的一般形式,如果组的大小为1,即Cache空间分为2N组,就变为直接映像;如果组的大小为Cache整个的尺寸,就变为了全相联映像。组相联方式在判断块命中及替换算法上都要比全相联方式简单,块冲突的概率比直接映像的低,其命中率也介于直接映像和全相联映像方式之间。
·替换策略和一致性问题的处理方法
Cache和存储器一样具有两种基本操作,即读操作和写操作。
当CPU发出读操作命令时,根据它产生的主存地址分为两种情形:一种是需要的数据已在Cache中,那么只需直接访问Cache,从对应单元中读取信息到数据总线;另一种是需要的数据尚未装入Cache,CPU需从主存中读取信息的同时,Cache替换部件把该地址所在的那块存储内容从主存拷贝到Cache中;若Cache中相应位置已被字块占满,就必须去掉旧的字块。常见的替换策略有两种:
1.先进先出策略(FIFO)FIFO(First In First Out)策略总是把最先调入的Cache字块替换出去,它不需要随时记录各个字块的使用情况,较容易实现;缺点是经常使用的块,如一个包含循环程序的块也可能由于它是最早的块而被替换掉。
2.最近最少使用策略(LRU)LRU(Least Recently Used)策略是把当前近期Cache中使用次数最少的那块信息块替换出去,这种替换算法需要随时记录Cache中字块的使用情况。LRU的平均命中率比FIFO高,在组相联映像方式中,当分组容量加大时,LRU的命中率也会提高。
当CPU发出写操作命令时,也要根据它产生的主存地址分为两种情形:一种是不命中时,只向主存写入信息,不必同时把这个地址单元所在的整块内容调入Cache中;另一种是命中时,这时会遇到如何保持Cache与主存的一致性问题,通常有三种处理方式:
1.直写式(write through)即CPU在向Cache写入数据的同时,也把数据写入主存以保证Cache和主存中相应单元数据的一致性,其特点是简单可靠,但由于CPU每次更新时都要对主存写入,速度必然受影响。
2.缓写式(post write)即CPU在更新Cache时不直接更新主存中的数据,而是把更新的数据送入一个缓存器暂存,在适当的时候再把缓存器中的内容写入主存。在这种方式下,CPU不必等待主存写入而造成的时延,在一定程度上提高了速度,但由于缓存器只有有限的容量,只能锁存一次写入的数据,如果是连续写入,CPU仍需要等待。
3.回写式(write back)即CPU只向Cache写入,并用标记加以注明,直到Cache中被写过的块要被进入的信息块取代时,才一次写入主存。这种方式考虑到写入的往往是中间结果,每次写入主存速度慢而且不必要。其特点是速度快,避免了不必要的冗余写操作,但结构上较复杂。
此外,还有一种设置不可Cache区(Non-cacheable Block)的方式,即在主存中开辟一块区域,该区域中的数据不受Cache控制器的管理,不能调入Cache,CPU只能直接读写该区域的内容。由于该区域不与Cache发生关系,也就不存在数据不一致性问题。目前微机系统的BIOS设置程序大多允许用户设置不可Cache区的首地址和大小。
1.直接映象
每个主存地址映像到Cache中的一个指定地址的方式,称为直接映象方式。在直接映象方式下,主存中存储单元的数据只可调入Cache中的一个位置,如果主存中另一个存储单元的数据也要调入该位置则将发生冲突。地址映像的方法一般是将主存空间按Cache的尺寸分区,每区内相同的块号映像到Cache中相同的块位置。一般地,Cache被分为2N块,主存被分为同样大小的2M块,主存与Cache中块的对应关系可用如下映像函数表示:j = i mod 2N。式中,j是Cache中的块号,i是主存中的块号。
直接映象是一种最简单的地址映像方式,它的地址变换速度快,而且不涉及其他两种映像方式中的替换策略问题。但是这种方式的块冲突概率较高,当称序往返访问两个相互冲突的块中的数据时,Cache的命中率将急剧下降,因为这时即使Cache中有其他空闲块,也因为固定的地址映像关系而无法应用。
2.全相联映象
主存中的每一个字块可映像到Cache任何一个字块位置上,这种方式称为全相联映像。这种方式只有当Cache中的块全部装满后才会出现块冲突,所以块冲突的概率低,可达到很高的Cache命中率;但实现很复杂。当访问一个块中的数据时,块地址要与Cache块表中的所有地址标记进行比较已确定是否命中。在数据块调入时存在着一个比较复杂的替换问题,即决定将数据块调入Cache中什么位置,将Cache中那一块数据调出主存。为了达到较高的速度,全部比较和替换都要用硬件实现。
3.组相联映象
组相联映象方式是直接映象和全相联映象的一种折衷方案。这种方法将存储空间分为若干组,各组之间是直接映像,而组内各块之间则是全相联映像。它是上述两种映像方式的一般形式,如果组的大小为1,即Cache空间分为2N组,就变为直接映像;如果组的大小为Cache整个的尺寸,就变为了全相联映像。组相联方式在判断块命中及替换算法上都要比全相联方式简单,块冲突的概率比直接映像的低,其命中率也介于直接映像和全相联映像方式之间。
·替换策略和一致性问题的处理方法
Cache和存储器一样具有两种基本操作,即读操作和写操作。
当CPU发出读操作命令时,根据它产生的主存地址分为两种情形:一种是需要的数据已在Cache中,那么只需直接访问Cache,从对应单元中读取信息到数据总线;另一种是需要的数据尚未装入Cache,CPU需从主存中读取信息的同时,Cache替换部件把该地址所在的那块存储内容从主存拷贝到Cache中;若Cache中相应位置已被字块占满,就必须去掉旧的字块。常见的替换策略有两种:
1.先进先出策略(FIFO)FIFO(First In First Out)策略总是把最先调入的Cache字块替换出去,它不需要随时记录各个字块的使用情况,较容易实现;缺点是经常使用的块,如一个包含循环程序的块也可能由于它是最早的块而被替换掉。
2.最近最少使用策略(LRU)LRU(Least Recently Used)策略是把当前近期Cache中使用次数最少的那块信息块替换出去,这种替换算法需要随时记录Cache中字块的使用情况。LRU的平均命中率比FIFO高,在组相联映像方式中,当分组容量加大时,LRU的命中率也会提高。
当CPU发出写操作命令时,也要根据它产生的主存地址分为两种情形:一种是不命中时,只向主存写入信息,不必同时把这个地址单元所在的整块内容调入Cache中;另一种是命中时,这时会遇到如何保持Cache与主存的一致性问题,通常有三种处理方式:
1.直写式(write through)即CPU在向Cache写入数据的同时,也把数据写入主存以保证Cache和主存中相应单元数据的一致性,其特点是简单可靠,但由于CPU每次更新时都要对主存写入,速度必然受影响。
2.缓写式(post write)即CPU在更新Cache时不直接更新主存中的数据,而是把更新的数据送入一个缓存器暂存,在适当的时候再把缓存器中的内容写入主存。在这种方式下,CPU不必等待主存写入而造成的时延,在一定程度上提高了速度,但由于缓存器只有有限的容量,只能锁存一次写入的数据,如果是连续写入,CPU仍需要等待。
3.回写式(write back)即CPU只向Cache写入,并用标记加以注明,直到Cache中被写过的块要被进入的信息块取代时,才一次写入主存。这种方式考虑到写入的往往是中间结果,每次写入主存速度慢而且不必要。其特点是速度快,避免了不必要的冗余写操作,但结构上较复杂。
此外,还有一种设置不可Cache区(Non-cacheable Block)的方式,即在主存中开辟一块区域,该区域中的数据不受Cache控制器的管理,不能调入Cache,CPU只能直接读写该区域的内容。由于该区域不与Cache发生关系,也就不存在数据不一致性问题。目前微机系统的BIOS设置程序大多允许用户设置不可Cache区的首地址和大小。
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