【考研408&计算机组成原理】存储系统之Cache考点
【考研408&计算机组成原理】存储系统之Cache考点
“弃工从研”的路上很孤独，于是我记下了些许笔记相伴，希望能够帮助到大家
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这一篇来复习计算机组成原理当中 存储系统章节之Cache的知识点
目录
这一篇来复习计算机组成原理当中 存储系统章节之Cache的知识点
Cache和高速缓冲器
存储器层次化结构
映射方式：
考点考题解答示例
替换算法：
写策略：
1. 全写法（Write-Through Cache）
2. 写回法（Write-Back Cache）
3. 写分配法（Write-Allocate Cache）
4. 非写分配法（No-Write-Allocate Cache）
写策略的选择
要注意的细节
Cache写策略的考点
考题示例
Cache和高速缓冲器
Cache通常指的是高速缓冲存储器（High-Speed Buffer Storage），它是一种特殊的存储结构，用于提高数据访问速度。Cache的目的是解决CPU（中央处理单元）与主存（主存储器）之间的速度不匹配问题。
存储器层次化结构
以下是Cache的一些关键特性和功能：
- 引入目的：Cache是为了缓解CPU和主存之间的速度差异而设计的。由于CPU的处理速度通常远远超过主存的访问速度，Cache作为两者之间的缓冲，存储了频繁访问的数据，从而加快了数据的访问速度。
映射方式：
- 直接映射：主存数据块只能装入到Cache中唯一的位置。
- 全相联映射：可以把主存数据块装入Cache中的任何位置。
- 组相联映射：将Cache分为若干组，组间直接映射，组内全相联映射。
考点考题解答示例
- 问题：如果一个系统有2GB的地址空间，Cache大小为256KB，使用直接映射和组相联映射，需要多少位来表示Tag？
- 解答：
- 直接映射： 首先确定地址总长度，2GB地址空间需要 log2(2×109)=31log2(2×109)=31 位。Cache大小为256KB，即 218218，所以索引部分需要 log2(218)=18log2(218)=18 位。因此，Tag的长度为 31−18=1331−18=13 位。
- 组相联映射：假设Cache分为16组（仅为示例，实际组数由Cache大小和路数决定），则组号需要 log2(16)=4log2(16)=4 位。剩余的位用于Tag，即 31−4=2731−4=27 位。
- 解答：
- 问题：如果一个Cache使用组相联映射，每组有8个Cache行，且Cache大小为1MB，需要多少位来表示Tag和组号？
- 解答：
- Cache大小为1MB，即 220220。每组8行，所以每组大小为128KB，即 2^17。索引部分需要 log2(217)=17log2(217)=17 位来确定组内Cache行的位置。组号需要 log2(8)=3log2(8)=3 位。因此，Tag的长度为 20−17=3 位，组号为3位。
- 解答：
替换算法：
当Cache满时，需要决定哪些数据被替换。常见的替换算法包括先进先出（FIFO）、近期最少使用（LRU）、最不经常使用和随机算法。
当Cache满了，需要引入新的数据时，就需要决定哪些旧数据需要被替换。以下是几种常用的Cache替换算法：
- 先进先出（FIFO - First In, First Out）算法：
- 这种方法按照数据被加载到Cache中的顺序来决定哪些数据被替换。最先进入Cache的数据块将最先被替换。
- 近期最少使用（LRU - Least Recently Used）算法：
- LRU算法会替换那些在最近一段时间内最少被访问的数据块。这种方法假设如果数据最近被访问过，那么它在未来可能还会被访问。
- 最不经常使用（LFU - Least Frequently Used）算法：
- LFU算法替换那些在总的访问历史中被访问次数最少的数据块。这种方法关注于整体访问频率，而不是近期访问模式。
写策略：
几种常见的Cache写策略：
1. 全写法（Write-Through Cache）
- 在这种策略下，每次对Cache中的写操作都会同时更新主存中的相应数据块。这意味着Cache和主存的数据始终保持一致。
- 优点是实现简单，数据一致性容易维护。
- 缺点是每次写操作都需要访问主存，这可能会降低写操作的性能。
2. 写回法（Write-Back Cache）
- 写回法只在Cache中进行数据的写操作，并不立即同步到主存。只有当Cache中的块被替换时，才会将数据写回主存。
- 这种方式可以减少对主存的写操作，提高写操作的性能。
- 优点是写操作速度快，因为不需要每次都访问主存。
- 缺点是实现相对复杂，需要额外的标记（如脏位，用于标记数据块是否被修改过）来追踪数据块的状态。
3. 写分配法（Write-Allocate Cache）
- 在写分配法中，当发生Cache未命中时，会将主存中的数据块加载到Cache中，然后执行写操作。
- 这种方法适用于写操作不频繁的场景，可以减少不必要的数据加载。
4. 非写分配法（No-Write-Allocate Cache）
- 非写分配法在发生Cache未命中时，不将数据块加载到Cache中，而是直接在主存中进行写操作。
- 这种方式适用于写操作非常频繁的场景，可以避免不必要的数据加载和替换。
写策略的选择
选择哪种写策略取决于具体的应用场景和性能需求。例如，如果写操作非常频繁，可能会选择写回法以提高性能；如果数据一致性非常关键，可能会选择全写法。
要注意的细节
- 脏位（Dirty Bit）：在写回法中，每个Cache行通常都有一个脏位，用于标记该行数据是否被修改过。这样，在替换数据块时，只有被修改过的块才需要写回主存。
- 同步操作：在全写法中，每次写操作都需要同步到主存，这可能会引入额外的延迟。
Cache写策略的考点
Cache写策略是计算机组成原理中的一个重要考点，主要涉及以下几个方面：
- 写策略的概念：了解和区分不同类型的Cache写策略，包括全写法和写回法。
- 全写法（Write-Through Cache）：
- 写操作在Cache和主存中同步更新。
- 适用于非写分配策略。
- 写回法（Write-Back Cache）：
- 写操作仅在Cache中进行，当Cache块被替换时再写回主存。
- 适用于写分配策略。
- 未命中时的处理：
- 写分配法：在发生写未命中时，先将主存数据调入Cache，再进行写操作。
- 非写分配法：直接在主存中进行写操作，跳过Cache。
- 写策略的选择：理解不同写策略的优缺点和适用场景。
- 写策略与存储器性能：分析写策略对存储器性能的影响。
- Cache一致性：在多级Cache系统中，理解如何维护Cache一致性。
考题示例
选择题：选择正确的Cache写策略，并解释其工作原理。
在Cache的写回法中，当发生写操作时，数据是先写入到Cache还是主存？
A. 主存
B. Cache
写回法（Write-Back）也被称为写回缓存或写分配缓存。
在这种策略中，当发生写操作时，数据首先被写入到Cache中，而不是直接写入到主存。
只有在Cache行被替换时，脏行（即那些已经被修改的行）才会被写回主存。
这种方式可以减少对主存的写操作次数，因为只有在必要时才进行写回，从而提高性能。简答题：简述全写法和写回法的区别，并说明各自的优缺点。
描述全写法和写回法在处理写操作时的不同之处，并分析它们各自可能的性能特点。
全写法（Write-Through）：
数据在写入Cache的同时，也会立即写入主存。
优点：保证了Cache和主存的数据一致性。
缺点：每次写操作都会涉及到主存，可能会降低写操作的性能。
写回法（Write-Back）：
数据首先写入Cache，只在必要时（如替换时）写回主存。
优点：减少了对主存的写操作，提高了写操作的性能。
缺点：需要额外的机制来跟踪哪些数据块是脏的，增加了复杂性。计算题：给定一个场景，计算在不同的写策略下，Cache的写操作性能。
假设有一个系统使用写回法的Cache，每次写操作需要10个时钟周期来写入Cache，
而写回主存需要50个时钟周期。
如果系统在1秒内发生了1000次写操作，请计算Cache写操作的总延迟时间。
1秒内发生1000次写操作。
每次写操作的延迟时间 = 写入Cache的时间 + 写回主存的时间（如果发生）。
由于写回法只在Cache行替换时写回主存，假设1000次写操作中有10%的行被替换，即100次写回主存。
Cache写操作总延迟 = (1000 * 10) + (100 * 50) = 10000 + 5000 = 15000个时钟周期。分析题：分析在多级Cache系统中，如何通过写策略来维护数据一致性。
在一个具有L1和L2 Cache的多级Cache系统中，
当L1 Cache发生写命中时，如何确保L2 Cache中相应的数据块保持一致性？
请分析可能的策略及其影响。写回（Write-Back）：L1 Cache的写操作只更新L1 Cache，L2 Cache中的数据被视为过时的。当L2 Cache需要该数据块时，会从L1 Cache中获取最新的数据。