系統(tǒng)存儲器層次結(jié)構(gòu)——高速緩存詳解

存儲系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)可以分為5級:寄存器組、高速緩存Cache、主存、虛擬存儲器和外部存儲器。其中，寄存器組總是在CPU內(nèi)部，程序員可通過寄存器名訪問，無總線操作，訪問速度最快；其余4級均在CPU外部，Cache和主存構(gòu)成內(nèi)存儲系統(tǒng)，程序員通過總線尋址訪問存儲單元，訪問速度較寄存器差；虛擬存儲器對程序員而言是透明的 ；外部存儲系統(tǒng)容量大，需通過I/O接口與CPU交換數(shù)據(jù)，訪問速度最慢。

高速緩沖存儲器
高速緩沖存儲器（Cache）的原始意義是指存取速度比一般隨機存取存儲器（RAM）更快的一種RAM，一般而言，它不像系統(tǒng)主存那樣使用動態(tài)隨機存儲器（DRAM）技術(shù)，而是使用昂貴但較快速的靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）技術(shù)。
高速緩沖存儲器是介于主存與CPU之間的一級存儲器，由靜態(tài)存儲芯片（SRAM）組成，容量較小但速度比主存快得多，其最重要的指標是它的命中率。高速緩沖存儲器與主存儲器之間信息的調(diào)度和傳送是由硬件自動進行的。
組成結(jié)構(gòu)
高速緩沖存儲器主要由以下三大部分組成：
Cache存儲體：存放由主存調(diào)入的指令與數(shù)據(jù)。
地址轉(zhuǎn)換部件：建立目錄表以實現(xiàn)主存地址到緩存地址的轉(zhuǎn)換。
置換部件：在緩存已滿時按一定策略進行數(shù)據(jù)替換，并修改地址轉(zhuǎn)換部件中的目錄表。
工作原理
高速緩沖存儲器通常由高速存儲器、聯(lián)想存儲器、置換邏輯電路和相應(yīng)的控制線路組成。在有高速緩沖存儲器的計算機系統(tǒng)中，處理器存取主存儲器的地址劃分為行號、列號和組內(nèi)地址三個字段。于是，主存儲器就在邏輯上劃分為若干行：每行劃分為若干的存儲單元組；每組包含幾個或幾十個字。高速存儲器也相應(yīng)地劃分為行和列的存儲單元組。二者的列數(shù)相同，組的大小也相同，但高速存儲器的行數(shù)卻比主存儲器的行數(shù)少得多。
聯(lián)想存儲器用于地址聯(lián)想，有與高速存儲器相同行數(shù)和列數(shù)的存儲單元。當主存儲器某一列某一行存儲單元組調(diào)入高速存儲器同一列某一空著的存儲單元組時，與聯(lián)想存儲器對應(yīng)位置的存儲單元就記錄調(diào)入的存儲單元組在主存儲器中的行號。
當處理器存取主存儲器時，硬件首先自動對存取地址的列號字段進行譯碼，以便將聯(lián)想存儲器該列的全部行號與存取主存儲器地址的行號字段進行比較。若有相同的，表明要存取的主存儲器單元已在高速存儲器中，稱為命中，硬件就將存取主存儲器的地址映射為高速存儲器的地址并執(zhí)行存取操作；若都不相同，則表明該單元不在高速存儲器中，稱為失效，硬件將執(zhí)行存取主存儲器操作并自動將該單元所在的那一主存儲器單元組調(diào)入高速存儲器相同列中空著的存儲單元組中，同時將該組在主存儲器中的行號存入聯(lián)想存儲器對應(yīng)位置的單元內(nèi)。
當出現(xiàn)失效而高速存儲器對應(yīng)列中沒有空的位置時，便淘汰該列中的某一組以騰出位置存放新調(diào)入的組，這稱為置換。確定替換的規(guī)則稱為置換算法，常用的置換算法有最近最久未使用算法（LRU）、先進先出法（FIFO）和隨機法（RAND）等。置換邏輯電路就是執(zhí)行這個功能的。另外，當執(zhí)行寫主存儲器操作時，為保持主存儲器和高速存儲器內(nèi)容的一致性，對命中和失效分別進行處理。

審核編輯：符乾江