IC695CPU310，IC695CPU310

IC695CPU310

 

IC695CPU310

作用介紹

在計算機技術(shù)發(fā)展過程中,主存儲器存取速度一直比中央處理器操作速度慢得多，使中央處理器的高速處理能力不能充分發(fā)揮，整個計算機系統(tǒng)的工作效率受到影響。有很多方法可用來緩和中央處理器和主存儲器之間速度不匹配的矛盾，如采用多個通用寄存器、多存儲體交叉存取等，在存儲層次上采用高速緩沖存儲器也是常用的方法之一。很多大、中型計算機以及新近的一些小型機、微型機也都采用高速緩沖存儲器。
 
高速緩沖存儲器的容量一般只有主存儲器的幾百分之一，但它的存取速度能與中央處理器相匹配。根據(jù)程序局部性原理，正在使用的主存儲器某一單元鄰近的那些單元將被用到的可能性很大。因而，當(dāng)中央處理器存取主存儲器某一單元時，計算機硬件就自動地將包括該單元在內(nèi)的那一組單元內(nèi)容調(diào)入高速緩沖存儲器，中央處理器即將存取的主存儲器單元很可能就在剛剛調(diào)入到高速緩沖存儲器的那一組單元內(nèi)。于是，中央處理器就可以直接對高速緩沖存儲器進行存取。在整個處理過程中，如果中央處理器絕大多數(shù)存取主存儲器的操作能為存取高速緩沖存儲器所代替，計算機系統(tǒng)處理速度就能顯著提高

CPU在Cache中找到有用的數(shù)據(jù)被稱為命中，當(dāng)Cache中沒有CPU所需的數(shù)據(jù)時（這時稱為未命中），CPU才訪問內(nèi)存。從理論上講，在一顆擁有2級Cache的CPU中，讀取L1Cache的命中率為80%。也就是說CPU從L1Cache中找到的有用數(shù)據(jù)占數(shù)據(jù)總量的80%，剩下的20%從L2Cache讀取。由于不能準(zhǔn)確預(yù)測將要執(zhí)行的數(shù)據(jù)，讀取L2的命中率也在80%左右（從L2讀到有用的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的16%）。那么還有的數(shù)據(jù)就不得不從內(nèi)存調(diào)用，但這已經(jīng)是一個相當(dāng)小的比例了。在一些領(lǐng)域的CPU中，我們常聽到L3Cache，它是為讀取L2Cache后未命中的數(shù)據(jù)設(shè)計的—種Cache，在擁有L3Cache的CPU中，只有約5%的數(shù)據(jù)需要從內(nèi)存中調(diào)用，這進一步提高了CPU的效率。
 
為了保證CPU訪問時有較高的命中率，Cache中的內(nèi)容應(yīng)該按一定的算法替換。一種較常用的算法是“近少使用算法”（LRU算法），它是將近一段時間內(nèi)少被訪問過的行淘汰出局。因此需要為每行設(shè)置一個計數(shù)器，LRU算法是把命中行的計數(shù)器清零，其他各行計數(shù)器加1。當(dāng)需要替換時淘汰行計數(shù)器計數(shù)值大的數(shù)據(jù)行出局。這是一種高效、科學(xué)的算法，其計數(shù)器清零過程可以把一些頻繁調(diào)用后再不需要的數(shù)據(jù)淘汰出Cache，提高Cache的利用率。
 
Cache的替換算法對命中率的影響。 當(dāng)新的主存塊需要調(diào)入Cache并且它的可用空間位置又被占滿時，需要替換掉Cache的數(shù)據(jù)，這就產(chǎn)生了替換策略（算法）問題。根據(jù)程序局部性規(guī)律可知：程序在運行中，總是頻繁地使用那些近被使用過的指令和數(shù)據(jù)。這就提供了替換策略的理論依據(jù)。 替換算法目標(biāo)就是使Cache獲得高的命中率。Cache替換算法是影響代理緩存系統(tǒng)性能的一個重要因素，一個好的Cache替換算法可以產(chǎn)生較高的命中率。常用算法如下：
 
（1）隨機法（RAND法） 隨機替換算法就是用隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個要替換的塊號，將該塊替換出去，此算法簡單、易于實現(xiàn)，而且它不考慮Cache塊過去、現(xiàn)在及將來的使用情況，但是沒有利用上層存儲器使用的“歷史信息”、沒有根據(jù)訪存的局部性原理，故不能提高Cache的命中率，命中率較低。
 
（2）先進先出法（FIFO法） 先進先出（First-In-First-Out，F(xiàn)IFO）算法。就是將先進入Cache的信息塊替換出去。FIFO算法按調(diào)入Cache的先后決定淘汰的順序，選擇早調(diào)入Cache的字塊進行替換，它不需要記錄各字塊的使用情況，比較容易實現(xiàn)，系統(tǒng)開銷小，其缺點是可能會把一些需要經(jīng)常使用的程序塊（如循環(huán)程序）也作為早進入Cache的塊替換掉，而且沒有根據(jù)訪存的局部性原理，故不能提高Cache的命中率。因為早調(diào)入的信息可能以后還要用到，或者經(jīng)常要用到，如循環(huán)程序。此法簡單、方便，利用了主存的“歷史信息”， 但并不能說先進入的就不經(jīng)常使用，其缺點是不能正確反映程序局部性原理，命中率不高，可能出現(xiàn)一種異常現(xiàn)象。
 
（3）近期少使用法（LRU法） 近期少使用（Least Recently Used，LRU）算法。這種方法是將近期少使用的Cache中的信息塊替換出去。該算法較先進先出算法要好一些。但此法也不能保證過去不常用將來也不常用。 LRU法是依據(jù)各塊使用的情況，總是選擇那個近少使用的塊被替換。這種方法雖然比較好地反映了程序局部性規(guī)律，但是這種替換方法需要隨時記錄Cache中各塊的使用情況，以便確定哪個塊是近期少使用的塊。LRU算法相對合理，但實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，系統(tǒng)開銷較大。通常需要對每一塊設(shè)置一個稱為計數(shù)器的硬件或軟件模塊，用以記錄其被使用的情況。

 

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