漫談計算機組成原理（五）高速緩衝存儲器

本文講什麼？

老樣子，在正式開始介紹「高速緩衝存儲器」以前，咱們先來了解一下其相關的信息。

我相信，上面這張圖你必定已經很是熟悉了，沒錯，這就是在本章緒論說的「存儲器的層次結構」。 上一講咱們介紹了存儲層次結構中的L4，即主存。繼續向上看，你會看到L三、L二、L1都是高速緩衝存儲器。那麼究竟什麼是高速緩衝存儲器呢？那就要從「速度」這個關鍵詞提及。 隨着計算機硬件行業的不斷進步，以因特爾爲首的芯片企業造出了一代又一代的高速CPU， 能夠說CPU處理數據的速度是愈來愈快。可是從圖中咱們可以看到，L0-L6的設備的速度是逐漸降低的，並且速度相差愈來愈大。 雖說近年來的存儲技術也有進步，可是照着CPU就差遠了。這就形成了CPU和主存之間速度差距愈來愈大。高速緩衝存儲器的存在就是爲了儘量的消除這種差距。 在這個存儲層次結構中，雖然高速緩衝存儲器分爲三個檔次，可是他們的做用都是相同的，都是起到一種橋樑的做用，不一樣的只是速度和造價。此外，L1的速度幾乎和寄存器的速度相同。接下來，咱們來看看高速緩衝存儲器在CPU中的具體位置。

這種結構進一步的驗證了存儲器的層次結構——高速緩衝存儲器位於寄存器之下的特色。好了，說了這麼多，那讓咱們來看看高速緩衝存儲器的工做原理吧！

高速緩衝存儲器(Cache)的工做原理

實際上，Cache的工做原理很是簡單，就是利用了映射的方式來獲取主存信息。 咱們知道，主存的地址範圍是2^n（即2^n個字），而每一個字都有一個n位的地址。（不明白的能夠翻翻這個系列的前幾篇文章）。所謂映射，就是兩個元素之間的對應關係。而咱們很清楚，主存的容量確定是遠遠大於高速緩衝存儲器的。因此，這種映射必然是一對多的關係，某部分高速緩衝存儲器中的內容對應着主存中的的吧部份內容。 爲了實現上面所說的映射，咱們須要對主存和緩存進行塊的劃分，使這些「字塊」實現一對多的映射關係。簡略圖以下： 能夠看見，咱們將主存和緩存劃分紅了一個又一個的字塊，從而實現映射關係。

CPU想要處理信息，首先就是看緩存（高速緩衝存儲器）中是否存在信息，若是存在，那麼好，就從緩存中讀入一個字（一個字塊可能包括多個字）；若是緩存中沒有數據，那麼就會根據這種映射關係，將主存中的數據一個字塊一個字塊地映射到相應的位置，而後再由CPU進行讀取便可。 這裏有一個名詞，叫作緩存命中和緩存不命中。上面說的兩種狀況中的第一種就是緩存命中，然後一種就是緩存不命中。命中率是衡量緩存的效率的。命中率越高，效率越好。命中率=緩存命中/（緩存命中+緩存不命中）。

上面說的例子，能夠理解爲映射中的第一種方式——直接相連映射。下面咱們就來詳細的瞭解一下映射方式。

主存——高速緩衝存儲器之間的映射方式

直接映射

下圖給出了直接映射的示意圖：

直接相連映射能夠說是一種最簡單的方法，爲何這樣說呢，由於他的邏輯最爲清晰、也是最好理解的一種映射方式。 你可能會說，這麼複雜的一個圖你跟我說這是最簡單的方法，你怕不是個傻子吧！不要急，聽我慢慢說。 首先，先看Cache，Cache被分紅了2^c 塊，而主存則被分紅了n*2^c, n就是n組，從圖中的鏈接線能夠很直觀的看出，主存中的字塊0~2^c-1 塊對應着Cache中的0~2^c-1 塊。而主存中的2^c 塊則是對應着Cache中的第0塊，依次類推。即主存中的每一組字塊對應着Cache中的相應字塊。 好了，對應關係說完了，咱們來解釋一下圖中的其餘內容。 首先說標記，標記表明的意義就是當前Cache字塊中的數據是否有效。能夠這樣想，咱們以前講了緩存命中和緩存不命中，當CPU向緩存推送地址，說「我想拿到Cache中字塊0上的數據」，那麼好，Cache首先要看看字塊0上的標記位是否爲1，若是是1，就把這個數據給CPU，這就叫緩存命中；若是標記位爲0，則說明此時Cache上的數據無效，則不推送，這就叫作緩存不命中。你可能會這樣想：Cache上的數據不都是從主存上拿到的嗎，爲何還會有無效的時候呢？這樣的例子很多，好比說Cache剛通電的那一瞬間，這時候Cache上面是沒有數據的，標記位的0就起了很大做用。若是發現是0的話，接着主存會向Cache推送數據的，這一點沒必要擔憂。看到這，我相信你確定也知道比較器是個什麼玩意了。

全相聯映射

若是說直接相連映射是最簡單的方法的話，那麼全相連映射就是一種最粗暴的映射方式。仍是先看圖：

我相信你此時必定知道我爲啥說這是一種至關粗暴的映射方式了，沒錯，看到那交錯縱橫的線，一開始我是拒絕的，這貨太暴力了。 標記位天然是不用說，主要是這貨的主存不分組，主存中的任何一個字塊均可以映射到Cache中的任何一個字塊，因此看起來十分的凌亂。可是仍是有好處的，你看直接映射，好比說主存仍是分紅n組，也就是說Cache中的每個字塊都有n個主存中的字塊對應，且主存中的字塊只能對應Cache中的一個字塊。因此說，若是Cache中的數據沒有失效的時候，主存中的其餘的n-1個字塊都是須要等待的。 可是全相聯映射不一樣——主存中的字塊能夠對應任何一個Cache中的字塊，也就是說，若是主存想要向Cache推送數據，只須要挑一個失效的地方，將原有數據覆蓋便可。 這種方式比較混亂，電路可能會很複雜，同時又會形成較高的成本。

組相聯映射

計算機組成原理頗有意思，你會發現，在計算機結構的設計方案中，通常都是這樣的：有一種比較簡單的方案，可是效率並不怎麼好，而後有一種效率很好的方案可是可能過於複雜，接着就會出現第三種方案，通常這種方案都是以上兩者的折中。在有效的消除了兩者的缺點的同時，又極大的利用了兩者的優勢，不得不感嘆這些科學家的聰明才智。

首先說對應方式，組相聯的映射方式和直接相連的映射方式相同，都是主存中的每一組字塊中的每個字塊對應着Cache中的一個相應字塊，可是有不一樣之處在於，Cache中的字塊分紅了兩組，這種方式也叫作二路組相聯。 其次說下這種鏈接方式的優勢：能夠看到，在二路組相聯中，除非是Cache中每塊的兩組字塊都被佔用了，不然不存在衝突的問題，這大大提升了效率，同時又沒有全相聯那種暴力的方式。

總結

本文詳細的討論了Cache的工做原理及三種映射方式，但願對你們有所幫助。 若是你喜歡個人文章，請幫忙點贊；若是你對本文內容存在疑問，請留言告訴我。您的點贊和留言是對原創做者的最大支持，感謝您的閱讀。 此外，本人一直在尋找志同道合的小夥伴，一樣如此的能夠郵件聯繫我：roobtyan@outlook.com. 本人微信公衆號：