計算機存儲層級結(jié)構(gòu)

上圖是計算機的存儲的層次結(jié)構(gòu)圖，自上而下，運行速度越來越慢，存儲容量越來越大

其實CPU在運行時，所需要的操作數(shù)大多數(shù)是來自寄存器的，速度是很快的，而離CPU越遠的，運算速度越慢

就我個人的理解，cache就是我們CPU內(nèi)部的SRAM，主存是DRAM，也就是我們經(jīng)常聽說的內(nèi)存條，外存儲就是硬盤之類的

我們應該了解，計算機在運行時，操作指令多存放在主存（內(nèi)存條）中，再結(jié)合上圖可以發(fā)現(xiàn)，主存并不是離寄存器最近的存儲器件，那么為了提高計算機的速度，應當將運行指令先從主存中拷貝到cache中，對DRAM和SRAM有過了解的小伙伴應該知道，SRAM運行速度快，但成本高；DRAM運行速度相對慢，但是價格相對便宜，因此cache的容量必定不會與主存的容量大小相同

那么如何保證從主存拷貝到cache中的指令和數(shù)據(jù)正是我們所需要的呢？

這就涉及到了程序訪問的局部性

程序訪問的局部性

分析結(jié)果表明：

在較短時間間隔內(nèi)，程序產(chǎn)生的地址/所訪問數(shù)據(jù)往往幾種在存儲器的一個很小范圍內(nèi)

程序訪問局部性可以分為：時間局部性和空間局部性

• 時間局部性：剛被訪問過的存儲單元很可能不久后又被訪問

• 空間局部性：剛被訪問過的存儲單元臨近的單元很可能不就后被訪問

這里再來介紹個概念

CPU和cache之間是以字進行指令/數(shù)據(jù)的傳輸

主存和cache之間是以塊進行指令/數(shù)據(jù)的傳輸，每個塊中又包含多個字（單元）

當CPU要從主存中讀取指令/數(shù)據(jù)的時候，會先查看cache中有沒有，如果有直接調(diào)用cache中的指令/數(shù)據(jù)，如果沒有則先從主存中拷貝到cache中，在從cache中調(diào)用

從兩個局部性分別來看

• 時間局部性：對于從主存拷貝到cache中的指令/數(shù)據(jù)，如果不與映射方式?jīng)_突，不會在CPU調(diào)用完后就立即擦除（映射方式接下來會介紹），可以理解為，被CPU調(diào)用的指令/數(shù)據(jù)還是保留在cache中，如果下次再次調(diào)用這些指令/數(shù)據(jù)，它們還在cache中，不用從主存取

• 空間局部性：因為從主存中拷貝到cache中的指令/數(shù)據(jù)是以塊為單位的，假如說一個塊中有10個數(shù)字，剛開始CPU想訪問在數(shù)字1位置的指令/數(shù)據(jù)，而cache此時將數(shù)字0-9都拷貝進cache中，那么下次CPU想訪問在數(shù)組5中的指令/數(shù)據(jù)時，它們也都在cache中

cache與主存的映射

cache與主存可按三種方式進行映射：直接映射、全映射、組映射

直接映射

（直接從網(wǎng)上的視頻中摘個題目）

因為主存和cache之間是以塊為單位進行傳輸?shù)?，因此cache和主存中每個塊的大小要相同

這是直接映射的示意圖

從題目中給的計算結(jié)果看，cache共分為16個槽（也叫行），主存共分為2048個塊

將主存的塊根據(jù)cache的槽數(shù)進行塊群的劃分

128個塊群是由主存的2048個塊 / cache的16個槽得來的，主存中每個塊群有16個塊

直接映射就是每個塊群的第幾個塊只能映射到cache的第幾個槽中

這么說有點抽象，換個說法

0塊是0塊群的第一個塊，那么0塊就只能映射到cache的第一個槽（0槽）；16塊又是1塊群中的第一個塊，那么16塊也只能映射到cache的第一個槽（0槽）

在介紹局部性的時候，我有提過“如果不與映射方式?jīng)_突”，試想一下，按照直接映射的方式，CPU第一次訪問的是主存的0塊，下次訪問的是主存的16塊呢

接下來介紹地址

從這個圖中可以看到，地址分為：主存地址、主存塊號、主存標記、cache槽號、塊內(nèi)地址和cache地址

• 塊內(nèi)地址指出來每個塊中訪問的是第幾個單元

• cache槽號指出存儲在第幾個槽中

• cache槽號指出指令/數(shù)據(jù)存儲在cache中第幾個槽的第幾個單元中

• 主存標記指出訪問的是主存中的第幾個塊群

• 主存塊號（主存標記+cache槽號）指出訪問的是主存的第幾個塊

比如我們要對0220CH單元進行訪問

0220CH轉(zhuǎn)換成二進制是 0000_0010_0010_0000_1100B

主存標記是前7位 ?-> ?0000_001 （1塊群）

cache槽號是主存標記后面的4位 ? -> ?0_001 ?（1槽）

塊內(nèi)地址是最后的9位 ?-> ?0_0000_1100 ?（12單元）

主存塊號是前11位 ?-> ?0000_0010_001 ?（17塊）

即0220CH單元是主存中1塊群1塊（17塊）中的12單元

直接映射訪問方式：

假如CPU想訪問主存0塊中的12單元，CPU先查看cache的0槽（0塊應當映射到0槽中）是否存在0塊的內(nèi)容，如果沒有則先將主存0塊中的內(nèi)容拷貝到cache的0槽，在從cache中訪問

試想一下，假設我們的cache固定，就是16個槽，如果我們的主存非常大，要分很多塊群，是不是就大大增加了hit cache同一個槽的概率了

這也是直接映射的缺點

全映射

全映射是主存中任意一個塊都可以映射到cache中的任意一個槽中，沒有主存的某個塊只能映射到cache的一個槽中的限制

因此，對于全映射的地址來說，主存地址中不存在cache槽號的內(nèi)容

全映射訪問方式：

假如CPU想訪問主存0塊中的12單元，CPU會從cache的0槽到15槽依次查看0塊是否映射到cache中，如果都沒有，主存才會將0塊映射到cache中

試想一下，如果cache的槽號非常多，CPU每次要訪問主存中的某個塊里的單元，都要先將cache中的每個槽先查看一遍，是不是很浪費時間

組映射

組映射可以理解為是直接映射和全映射的結(jié)合體

在組映射中，會將cache進行分組，每組cache又會存在幾個槽

組映射時，主存和cache的組之間映射是直接映射，與cache組中每個槽之間的映射時全映射

就像之前的例子，我們將cache的16個槽分為8組，每組有2個槽，那么在進行組映射的時候，主存在中塊會先與cache的組進行直接映射，在確定要映射的組后，再與組內(nèi)的兩個槽進行全映射

這里地址中的標記位指出對應槽取自主存的哪個組群

聯(lián)想剛才在全映射和直接映射提出的兩個極端的情況：

• 如果主存很大（塊多），主存的塊hit cache同一個槽的概率增大，而在組映射的情況下，主存的塊hit的是cache的組，而cache的組內(nèi)有多個槽，主存的塊可以存放在cache組內(nèi)的任何一個槽中

• 如果cache很大（槽多），CPU要訪問主存的某個塊時，只需要先在cache的固定組中查看這個塊是否存在即可

對比三種映射的地址

直接放圖吧