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  • 高速缓存

    2014-07-16 23:31:58
    L i n u x系统使用了几种涉及到高速缓存的内存管理方法。 1 缓冲区高速缓存 缓冲区高速缓存中保存着块设备驱动程序所用到的数据缓冲区。 这些缓冲区的大小固定,一般包括从块设备中读入的和将要写入到块设备中的信息...
    L i n u x系统使用了几种涉及到高速缓存的内存管理方法。
    1   缓冲区高速缓存
    缓冲区高速缓存中保存着块设备驱动程序所用到的数据缓冲区。
    这些缓冲区的大小固定,一般包括从块设备中读入的和将要写入到块设备中的信息块。快设备一次只能处理大小固定的数据块。硬盘就是块设备中的一种。缓冲区高速缓存使用设备标识符和块号作为索引来快速地查找数据块。块设备只通过缓冲区高速缓存进行存取。如果所需要的数据存在于缓冲区高速缓存中,那么就不需要从物理块设备中读取,这样存取的速度就会加快。
     
    2   页面高速缓存
    页面高速缓存用来加速磁盘中文件镜像和数据的存取。
    对于已经作好了磁盘映射的文件,L i n u x每次读取一页,并将读取的页面存储到页面高速缓存中。
    图1 0 - 5显示页面高速缓存由p a g e _ h a s h _ t a b l e组成,p a g e _ h a s h _ t a b l e是一个包含指向m e m _ m a p _ t结构指针的数组。每当从一个内存映射文件中读取一个页面时,页面都要从页面高速缓存中读取。如果页面在高速缓存中,则将一个指向m e m _ ma p _ t的指针返回给页面错误处理程序。否则,页面必须从磁盘上读入到内存中。
    如果可能,L i n u x系统将会提前读取文件中的下一个页面,这样,如果文件是顺序执行的,那么下一个页面就已经在内存中了。
    随着文件的读入和执行,页面高速缓存也将变得越来越大。不用的页面将被移出高速缓存。
     
    3   交换高速缓存
    交换文件中只保存那些被修改过的页面。只要在页面被写入到交换文件中后没有被修改过,那么此页面下一次从内存中交换出来时就不用再写入到交换文件中了,因为交换文件中已经有了该页面。这样,该页面就可以简单地扔掉,节省了大量的系统操作。
     
     
    4   硬件高速缓存
    一个常用的硬件高速缓存是在处理器中,它一般保存着页面表的入口。
     
    内核交换守护进程kswapd
    当物理内存变少时,L i n u x内存管理必须释放物理内存页。此任务由内核中的交换守护进程( k s w a p d )完成。
    交换守护进程是一个内核线程。内核线程是无需使用虚拟内存的进程,它们在物理内存中运行于内核方式下。交换守护进程还有一个重要的任务是保证系统中有足够的空闲内存。
    交换守护进程是由内核的初始化进程启动的,并一直等候直到内核交换计时器周期性截止。每当计时器截止时,交换守护进程都要检查系统中的空闲的页面数是否太少。它使用两个变量free_pages_high 和f r e e _ p a g e s _ l o w来决定是否需要释放一些内存。只要空闲的内存数大于f r e e _ p a g e s _ h i g h,交换守护进程就不做任何事,它将再一次进入睡眠状态直到计时器再一次截止。
    检查系统中空闲页的目的是使交换守护进程可以计算出需要往交换文件中写入的页面数,此数目保存在n r _ a s y n c _ p a g e s中。
    每次有页面排队准备写入到交换文件中时,n r _ a s y n c _ p a g e s的值就会增加,而当写入结束后,n r _ a s y n c _ p a g e s的值就将减少。free_pages_low 和f r e e _ p a g e s _h i g h是在系统启动时设定的,并和系统的物理页面数有关。如果系统中的空闲页面数低于f r e e _ p a g e s _ h i g h,或者甚至低于f r e e _ p a g e s _ l o w,则内核的交换守护进程将用以下三种办法减少正在使用的页面数:
    • 减少缓冲区和页面高速缓存的大小。
    • 把System V的共享内存页交换出系统内存。
    • 交换或扔掉内存页。
     
     

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  • 高速缓存存储器

    2020-12-23 11:03:48
    高速缓存存储器随机访问存储器DRAMSRAMSRAM高速缓存存储器结构直接映射高速缓存组相连高速缓存全相连高速缓存例题 随机访问存储器 随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)分为两类:静态的和动态的。静态RAM...

    随机访问存储器

    随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)分为两类:静态的和动态的。静态RAM(SRAM)比动态RAM(DRAM)更快,但也贵得多。
    DRAM用来作为主存以及图形系统的帧缓冲区。在这里我们略讲。
    SRAM用来作为高速缓存存储器,既可以在CPU芯片上,也可以在片下。

    DRAM

    DRAM将每个位存储为对一个电容的充电。
    电路设计者将DRAM组织成二维阵列,优点是可以降低芯片上的引脚(每个引脚携带一个1位的信号 )数量,缺点是必须分成两步发送地址(第一步行地址、第二步列地址 ),这增加了访问时间。

    其中相关知识点:

    1. 传统DRAM的数据传输方法(超单元、引脚)
    2. (多个)DRAM芯片封装在内存模块中,多个内存模块连接到内存控制器,能够聚合成主存
    3. 增强的DRAM(快页模式、扩展数据输出DRAM、同步DRAM、双倍数据速率同步DRAM、视频RAM等)

    关于DRAM,这里不再做详细展开 。

    SRAM

    早期计算机系统的存储器层次结构只有三层:CPU寄存器、DRAM主存储器和磁盘存储。不过由于CPU和主存之间逐渐增大的差距,我们在他们之间插入了一个小的SRAM高速缓存存储器,称为L1高速缓存。之后又在L1与主存之间插入了更大的高速缓存,称为L2高速缓存。有些现代系统还包括有一个更大的,L3高速缓存。

    为方便讨论,我们假设CPU和主存之间只存在L1高速缓存

    SRAM高速缓存存储器

    结构

    在这里插入图片描述
    一般而言,高速缓存的结构可以用元组(S,E,B,m)来描述,如上图所示。

    1. 一个高速缓存拥有S=2s个数
    2. 每个组(S)有E个高速缓存
    3. 每个行有1个数据,1个有效位,t个标记位;
    4. 这个数据块大小B=b字节。

    所以高速缓存的大小C,是指所有块大小的总和:C=S×E×B
    有效位是指明该行是否包含有意义的信息,1是有,0是没有。

    其中,每行含有m个地址位(不包括有效位);
    被划分成t个标记位、s个组索引位、b个块偏移位;

    1. s组索引位用来寻找这个字被放在哪个组中,是一个无符号整数;
    2. t标记位用来寻找这个字被放在该组的哪一行中;
    3. b偏移位给出了在B个字节的数据块中的字偏移。

    缓存命中与缓存不命中

    缓存命中的两个条件:

    1. 设置了有效位(有效位为1)
    2. 高速缓存行中的标记与传送地址中的标记相匹配

    其中任意条件不满足,就将其称为缓存不命中
    如果缓存不命中,那么它需要从存储器层次结构中的下一层取出被请求的块,然后将新的块存储在组索引位指示的组中的一个高速缓存行中。
    一般而言,如果组中都有高速缓存行了,那么必须驱逐一个现存的。这一过程称为行替换

    抽取请求字的三步骤

    根据每个组的高速缓存行数E,高速缓存被分为不同的类。

    1. 直接映射高速缓存:E=1(每个组只有一行)
    2. 组相连高速缓存:1<E<C/B
    3. 全相连高速缓存:E=C/B、S=1(只有一个组,包含所有高速缓存行)

    所有类别的高速缓存确定一个请求(传送地址)是否命中,然后抽取出被请求的字的过程,都分为三步:1)组选择;2)行匹配;3)字抽取

    组选择

    在这一步中,高速缓存从传送地址中间抽出s个组索引位,用来寻找匹配组(注意:由于全相连高速缓存只有一个组,地址中没有组索引位
    在这里插入图片描述

    行匹配

    在上一步中我们已经选择了某个组i,这一步就是要确定是否有传送地址的一个副本存储在这个组包含的一个高速缓存行中。

    1. 直接映射高速缓存一组只有一行,这里搜素很容易,但也容易出现抖动(高速缓存反复地加载和驱逐相同的高速缓存块的组);
    2. 组相连高速缓存必须检查多个行的标记位和有效位,以确定所请求的字是否在集合中。这里一个重要思想就是:组中的任何一行都可以包含任何映射到这个组的内存块。也就是说,高速缓存必须搜索组中的每一行,寻找有效行;
    3. 全相连高速缓存同组相连一样,只是规模更大,因此它只适合做小的高速缓存。

    当有效位被设置后,我们只需要寻找是否有相匹配的标记位就可以了。
    在这里插入图片描述

    字选择

    一旦命中,我们知道传送地址就在这个块中的某个地方。最后一步就是要用b块偏移来确定所需要的字在块中是从哪里开始的。我们可以把块看成一个字节的数组,而字节偏移是到这个数组的一个索引。
    到了这一步,三种类别的步骤都是一样的。
    在这里插入图片描述

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  • 一、通用的高速缓存存储器组织结构 首先让我们了解一下基本结构、 考虑一个计算机系统,其中每个存储器地址有m位,形成M=2^m个不同的地址。 ·高速缓存被组织成一个有S=2^s个高速缓存组的数组。(即一共有S个...

    一、通用的高速缓存存储器组织结构

               首先让我们了解一下基本结构、

               考虑一个计算机系统,其中每个存储器地址有m位,形成M=2^m个不同的地址。

                ·高速缓存被组织成一个有S=2^s个高速缓存组的数组。(即一共有S个组)

                ·每个组包含E个高速缓存行。(即一组里有E行)

               ·每一行是包括一个B=2^b字节的数据块(block)(又称偏移位),一个有效位(valid bit)指明这个行是否包含有意义的信息(即判断是否命中),还有t=m-(b+s)个标记为(tag bit),他们唯一地标识存储在这个高速缓存行中的块。

     

               对于任意一个地址来说,我们可以把地址拆分成以下形式

     

        · 高速缓存的大小(或容量)C指的是所有块的大小的和,标记位和有效位不包括在此内,C=S\times E\times B

         几个比较重要的公式

     

     

    m=\log _{2}(M) 内存地址的最大数量
    s=\log_{2}(S) 组索引位
    b=\log_{2}(B) 块偏移量
    t=m-(b+s) 标记位数量
    C=S\times E\times B 容量

        我们可以做一个简单的练习

         

    高速缓存   m      C      B     E     S      t      s           b
           1   32    1024      4     1 1024÷4÷1=256 32-8-2=22      8           2
           2   32    1024      8     4     32   24      5          3

    二、直接映射高速缓存

            每个组只有一行(E=1)的高速缓存成为直接映射高速缓存

            我们来简单看一下,一个值怎样判断他的t、s、b位

     

    接下来我们来做一个练习

                    假设 M=16Bytes, S=4 , E=1, B=2 ,将以下数值读入高速缓存时是一种什么情况?

        首先,由以上条件可以知道 m=4,s=2, b=1 , 可以得知地址address of word为

               

        然后将0,1,7,8,0转换为二进制 

      1、 “0”,s为00,所以要把它放进第0组。可是我们发现,此时高速缓存中第0组为空,所以此时并没有命中。再看b=0,说明偏移量为0,因为B=2,所以我们可以放两个字节进去,即M[0-1]

    .2、接着我们看“1”,s为00,所以我们要把他放进第0组,此时第0组已经存有值,并且tag相吻合,可以直接读到M[1],此时命中

    3、“7” ,s为11,所以我们要把他放进第3组,此时第3组为空,所以没有命中。因B=2,放两个字节,即M[6-7]

    4、“8” ,s为00,所以我们要把它放进第0组,可这是可以发现,“8”的t,即表示为时1,与0组标识为不相符,所以也没有命中。

     

    接下来,我们就要把第0组原有的值踢走,换进新的值。

     

    5、“0”,s为00,所以我们要把他放进第0组,与上一组一样,二者的标识为并不相符,所以我们继续踢走原有的值,放入新的值

     二、组相联高速缓存

               直接映射E=1,而组相联告诉缓存放宽了这个限制,E可以>1,我们通常称之为E路组相联高速缓存

      假设 M=16Bytes, S=2 , E=2, B=2 ,将以下数值读入高速缓存时是一种什么情况?

    1、“0”,s为0,所以我们将他们放在第0组,优先考虑放入第一行,偏移量为0,即放入M[0-1],没有命中

    2、“1”,s为0,所以放到第0组,这是我们发现二者标志位相吻合,所以命中

    3、“7“,s为1,所以我们放到第1组,偏移量为1,没有命中。可以放入的值可以稍稍计算,偏移为可以取0或1.当b=0时,放入的值为0110,即6;当b=1时,值为0111,即7,所以放入的是M[6-7]。之后的同理

    4、”8“,s为0,所以放到第0组,第一行标志位位00,所以不吻合,我们将其放入第二行,没有命中。

    5、”0“,s为0,所以放到第0组,第一行标识位与t相吻合,所以命中

     

     

     

     

     

     

     

     

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  • 这篇文章我尽量说明高速缓存的是啥,和高速缓存至关重要的作用。(纯爱好,发现错误赶快联系我) 如果单单去观察一个HelloWord和程序是如何在计算机从执行的,就会发现系统花了大量的时间吧信息从一个地方加载到另一...

    这篇文章我尽量说明高速缓存的是啥,和高速缓存至关重要的作用。(纯爱好,发现错误赶快联系我)

    如果单单去观察一个HelloWord和程序是如何在计算机从执行的,就会发现系统花了大量的时间吧信息从一个地方加载到另一个地方,HelloWord程序最初存放在硬盘上,然后当程序加载时被复制到主存,当CPU运行,这些程序又要复制到CPU…,这些复制的开销减慢了程序的执行效率。那么怎么办呢?

    首先我们要清楚的是,较大的储存设备比较小的设备运行的慢(机械原理决定的),而同类存储设备中,存储快的设备比存储慢的设备贵很多。比如吧:你的硬盘可能比你的内存大1000倍,但是CPU从硬盘上读取一字节花费的时间可能比你从内存中花费的时间多1000万倍!

    在比如说寄存器文件(CPU里的一个存数据的东西,比高速缓存还要快)只能存储几百个字节,内存里可能存放几十亿字节,但是从寄存器文件中读取数据要比从内存中大概快100倍!

    针对这种CPU和内存的差异,这篇文章的主角高速缓存诞生了。高速缓存比主存更小更快,存放CPU经常访问的数据。这样可以大大提高程序的执行性能。

    当然高速缓存比你想的还要复杂一点,高速缓存也是分级的,暂且成为L1,L2两级,L1的存放容量大概分为几万字节,访问速度基本和寄存器差不多,L2容量在数十万字节到数百万字节之间,但是仍然比访问内存块5-10倍,L1和L2用的是静态随机访问存储器(SRAM)的硬件技术实现,我还没弄明白这是个啥玩意呢,就不解释了。反正不影响你理解高速缓存的重要性。

    正是由于高速缓存的存在,CPU有了一个比较大而且访问速度还挺快的存储器。大大提高了程序的执行性能。

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    在这里插入图片描述

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