緩存主存映像特點

Ⅰ 有關操作系統原理中CACHE與主存的地址映象問題.

·地址映像
所謂映象問題是指如何確定Cache中的內容是主存中的哪一部分的拷貝，即必須應用某種函數把主存地址映象到Cache中定位，也稱地址映象。當信息按這種方式裝入Cache中後，執行程序時，應將主存地址變換為Cache地址，這個變換過程叫作地址變換。地址映象方式通常採用直接映象、全相聯映象、組相聯映象三種。
1．直接映象
每個主存地址映像到Cache中的一個指定地址的方式，稱為直接映象方式。在直接映象方式下，主存中存儲單元的數據只可調入Cache中的一個位置，如果主存中另一個存儲單元的數據也要調入該位置則將發生沖突。地址映像的方法一般是將主存空間按Cache的尺寸分區，每區內相同的塊號映像到Cache中相同的塊位置。一般地，Cache被分為2N塊，主存被分為同樣大小的2M塊，主存與Cache中塊的對應關系可用如下映像函數表示：j = i mod 2N。式中，j是Cache中的塊號，i是主存中的塊號。
直接映象是一種最簡單的地址映像方式，它的地址變換速度快，而且不涉及其他兩種映像方式中的替換策略問題。但是這種方式的塊沖突概率較高，當稱序往返訪問兩個相互沖突的塊中的數據時，Cache的命中率將急劇下降，因為這時即使Cache中有其他空閑塊，也因為固定的地址映像關系而無法應用。
2．全相聯映象
主存中的每一個字塊可映像到Cache任何一個字塊位置上，這種方式稱為全相聯映像。這種方式只有當Cache中的塊全部裝滿後才會出現塊沖突，所以塊沖突的概率低，可達到很高的Cache命中率；但實現很復雜。當訪問一個塊中的數據時，塊地址要與Cache塊表中的所有地址標記進行比較已確定是否命中。在數據塊調入時存在著一個比較復雜的替換問題，即決定將數據塊調入Cache中什麼位置，將Cache中那一塊數據調出主存。為了達到較高的速度，全部比較和替換都要用硬體實現。
3．組相聯映象
組相聯映象方式是直接映象和全相聯映象的一種折衷方案。這種方法將存儲空間分為若干組，各組之間是直接映像，而組內各塊之間則是全相聯映像。它是上述兩種映像方式的一般形式，如果組的大小為1，即Cache空間分為2N組，就變為直接映像；如果組的大小為Cache整個的尺寸，就變為了全相聯映像。組相聯方式在判斷塊命中及替換演算法上都要比全相聯方式簡單，塊沖突的概率比直接映像的低，其命中率也介於直接映像和全相聯映像方式之間。
·替換策略和一致性問題的處理方法
Cache和存儲器一樣具有兩種基本操作，即讀操作和寫操作。
當CPU發出讀操作命令時，根據它產生的主存地址分為兩種情形：一種是需要的數據已在Cache中，那麼只需直接訪問Cache，從對應單元中讀取信息到數據匯流排；另一種是需要的數據尚未裝入Cache，CPU需從主存中讀取信息的同時，Cache替換部件把該地址所在的那塊存儲內容從主存拷貝到Cache中；若Cache中相應位置已被字塊占滿，就必須去掉舊的字塊。常見的替換策略有兩種：
1．先進先出策略（FIFO）FIFO（First In First Out）策略總是把最先調入的Cache字塊替換出去，它不需要隨時記錄各個字塊的使用情況，較容易實現；缺點是經常使用的塊，如一個包含循環程序的塊也可能由於它是最早的塊而被替換掉。
2．最近最少使用策略（LRU）LRU（Least Recently Used）策略是把當前近期Cache中使用次數最少的那塊信息塊替換出去，這種替換演算法需要隨時記錄Cache中字塊的使用情況。LRU的平均命中率比FIFO高，在組相聯映像方式中，當分組容量加大時，LRU的命中率也會提高。
當CPU發出寫操作命令時，也要根據它產生的主存地址分為兩種情形：一種是不命中時，只向主存寫入信息，不必同時把這個地址單元所在的整塊內容調入Cache中；另一種是命中時，這時會遇到如何保持Cache與主存的一致性問題，通常有三種處理方式：
1．直寫式（write through）即CPU在向Cache寫入數據的同時，也把數據寫入主存以保證Cache和主存中相應單元數據的一致性，其特點是簡單可靠，但由於CPU每次更新時都要對主存寫入，速度必然受影響。
2．緩寫式（post write）即CPU在更新Cache時不直接更新主存中的數據，而是把更新的數據送入一個緩存器暫存，在適當的時候再把緩存器中的內容寫入主存。在這種方式下，CPU不必等待主存寫入而造成的時延，在一定程度上提高了速度，但由於緩存器只有有限的容量，只能鎖存一次寫入的數據，如果是連續寫入，CPU仍需要等待。
3．回寫式（write back）即CPU只向Cache寫入，並用標記加以註明，直到Cache中被寫過的塊要被進入的信息塊取代時，才一次寫入主存。這種方式考慮到寫入的往往是中間結果，每次寫入主存速度慢而且不必要。其特點是速度快，避免了不必要的冗餘寫操作，但結構上較復雜。
此外，還有一種設置不可Cache區（Non－cacheable Block）的方式，即在主存中開辟一塊區域，該區域中的數據不受Cache控制器的管理，不能調入Cache，CPU只能直接讀寫該區域的內容。由於該區域不與Cache發生關系，也就不存在數據不一致性問題。目前微機系統的BIOS設置程序大多允許用戶設置不可Cache區的首地址和大小。