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  • 直接映射高速缓存中的冲突不命中
    2021-01-22 18:49:03

    冲突不命中在真实的程序中很常见。当程序访问大小为2的幂的数组时,直接映射高速缓存会通常发生冲突不命中。

    float dotpord(float x[8],float y[8])//x与y向量的内积
    {
        float sum = 0.0;
        int i;
        for(i = 0;i < 8;i++)
            sum+=x[i]*y[i];
        return sum;
    }

    假设浮点数是4个字节,x被加载到从地址0开始的32字节的内存中,而y紧跟x之后,从地址32开始。这会导致所有的x与所有的y都被映射到同一个组索引中。

    在运行时,循环的第一次迭代引用x[0],缓存不命中会导致包含x[0]-x[3]的数据块加载到组0中。接下来对y[0]引用,又一次缓存不命中,导致将y[0]-y[3]加载到原来x[0]-x[3]的位置,将其覆盖,进行频繁的替换,最终导致抖动现象。

    处理方法很简单:只需要改变x与y数组的大小,例如float x[12]

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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    11024÷4÷1=25632-8-2=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

     

     

     

     

     

     

     

     

    展开全文
  • 缓存直接映射Prerequisites: Memory mapping and its types 先决条件: 内存映射及其类型 In Direct mapped cache memory, ... 在直接映射高速缓存中,每个块都精确映射到高速缓存中的一个位置。 直接映射缓存...

    缓存直接映射

    Prerequisites: Memory mapping and its types

    先决条件: 内存映射及其类型

    In Direct mapped cache memory, each block mapped to exactly one location in cache memory.

    在直接映射的高速缓存中,每个块都精确映射到高速缓存中的一个位置。

    直接映射缓存的工作 (Working of Direct Mapped Cache)

    • CPU generates a memory request, so the line number field of the address is used to access the particular line of the cache.

      CPU生成内存请求,因此地址的行号字段用于访问高速缓存的特定行。

    • The tag field of the processor address is then compared with the tag of the line.

      然后将处理器地址的标签字段与该行的标签进行比较。

    • If the two tags match, a cache hit occurs and the desired word is found in the cache and they do not match, a cache miss occurs.

      如果两个标签匹配,则发生高速缓存命中,并且在高速缓存中找到所需的单词,但它们不匹配,则发生高速缓存未命中。

    • If the cache miss occurs, the desired word must be brought from the most memory.

      如果发生高速缓存未命中,则必须从最大内存中获取所需的字。

    • It is then held within the cache along with the new tag substituting the previous one.

      然后将其与替换前一个标签的新标签一起保存在缓存中。

    A diagram to show the implementation of direct-mapped cache as follows,

    下图显示了直接映射缓存的实现,

    Direct Mapped Cache

    需要替换算法 (Need of Replacement Algorithm)

    • In direct mapping, there is no requirement of any replacement algorithm.

      在直接映射中,不需要任何替换算法。

    • Due to the main memory block can map only to a particular line of the cache.

      由于主内存块只能映射到高速缓存的特定行。

    • Hence, the new incoming block will always replace the existing block (if any) in that particular line.

      因此,新的传入块将始终替换该特定行中的现有块(如果有)。

    Steps to implement direct memory cache,

    实现直接内存缓存的步骤,

    Step 1:

    第1步:

    • Each multiplexer reads the line range from the generated physical address victimization it's choosing lines in parallel.

      每个多路复用器从并行选择线的生成的物理地址受害中读取线范围。

    • To scan the line range of L bits, range of choose lines every multiplexer should have = L.

      要扫描L位的行范围,每个多路复用器的选择行范围应为L。

    Step 2:

    第2步:

    • After reading the line number, every multiplexer goes to the corresponding line within the cache memory victimization its input lines in parallel.

      读取行号后,每个多路复用器并行访问其输入行,然后转到高速缓存存储器中的相应行。

    • Number of input lines every multiplexer should have = number of lines within the cache memory.

      每个多路复用器应具有的输入线数=缓存中的线数。

    Step 3:

    第三步:

    • Each multiplexer outputs the tag bit it has selected from that line to the comparator using its output line.

      每个多路复用器使用其输出线将从该线选择的标记位输出到比较器。

    • The number of output lines in each multiplexer = 1.

      每个多路复用器中的输出线数= 1。

    • A multiplexer will output solely one bit on the output line. So, to output the complete tag to the comparator, Number of multiplexers required = Number of bits in the tag.

      多路复用器将仅在输出线上输出一位。 因此,要将完整的标签输出到比较器,所需的多路复用器数量=标签中的位数。

    Step 4:

    第4步:

    • The comparator compares the tag of the generated address with the tag coming from the multiplexers.

      比较器将生成的地址的标记与来自多路复用器的标记进行比较。

    • For comparison, only one comparator is required.

      为了进行比较,仅需要一个比较器。

    • Here, Size of comparator = Number of bits in the tag.

      在这里,比较器的大小=标签中的位数。

    • If these two tags do not match, a cache miss occurs otherwise a cache hit occurs.

      如果这两个标签不匹配,则发生高速缓存未命中,否则将发生高速缓存命中。

    命中延迟 (Hit latency)

    The time taken to search out whether or not the specified word is available within the Cache Memory or not is termed as hit latency.

    搜索指定字是否在高速缓存中可用的时间称为命中等待时间。

    For direct mapping cache: Hit latency = Multiplexer latency + Comparator latency.

    对于直接映射缓存:命中延迟=多路复用器延迟+比较器延迟

    基于直接映射缓存的问题 (Problem based on direct mapped cache)

    If there is a direct-mapped cache with block size 4 KB, the size of the main memory is 16 GB and there are 10 bits in the tag. Then find out,

    如果存在块大小为4 KB的直接映射缓存,则主存储器的大小为16 GB,并且标签中有10位。 然后找出来

    1. Size of cache memory

      缓存大小

    2. Tag directory size

      标签目录大小

    Solution:

    解:

        We are considering that the memory is byte addressable.
        So, the number of Bits in Physical Address-
        = Size of main memory
        = 16 GB
        = 234 bytes
        Hence, Number of bits in physical address = 34 bits
    
        Number of Bits in Block Offset-
        Block size
        = 4 KB
        = 212 bytes
        Hence, Number of bits in block offset = 12 bits
    
        Number of Bits in Line Number-
        = total num of bits in physical address – (Num of bits in tag + Num of bits in block offset)
        = 34 bits – (10 bits + 12 bits)
        = 34 bits – 22 bits
        = 12 bits
        Hence, the total number of bits in line number = 12 bits
    
        Number of Lines in Cache-
        Number of bits in line num = 12 bits
        Thus, Total number of cache lines = 212 lines
     
        Size of Cache Memory-
        = Total numb of cache lines x Line size
        = 212 x 4 KB
        = 212 x 22 KB
        = 214 KB
        = 16 MB
        Thus, Size of cache memory = 16 MB
     
        Tag Directory Size-
        = Num of tags x Tag size
        = Num of cache lines x Num of bits in tag
        = 212 x 10 bits
        = 40960 bits
        = 5120 bytes
        Thus, size of tag directory = 5120 bytes
    
    

    References:

    参考文献:

    翻译自: https://www.includehelp.com/operating-systems/working-and-implementation-of-direct-mapped-cache.aspx

    缓存直接映射

    展开全文
  • 高速缓存Cache的映射方式

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    一:直接映射 简单来说,就是整个Cache,映射到主存中,是一个主存块组(n个连续主存块为一组) 地址划分:主存组号,Cache行数,块内地址(按顺序排列的) 主存组号:主存块号从0开始,顺序,每n块为一组,从第0组...

    一:直接映射

    简单来说,就是整个Cache,映射到主存中,是一个主存块组(n个连续主存块为一组)

    地址划分:主存组号,Cache行数,块内地址(按顺序排列的)

    Ps:这里说的地址已经是物理地址,不是程序中的逻辑地址,可参考CPU访问地址的过程

    主存组号:主存块号从0开始,顺序,每n块为一组,从第0组开始

    Cache行数:表示在Cache块的第几行数据,也表示在主存块组中的第几块

    块内地址:CPU一次取一字(若干字节,不同计算机可能会不同)的数据

    而一个主存块可能包含多个字,块内地址则表示要取块内的第几字

    来一个例子帮助理解:
    在这里插入图片描述
    (1)
    主存地址空间:1GB=2^30B

    则主存地址为20位,才够访问这么多的地址空间

    内存块大小为128B=2^7B,以字节编址(编址的最小单元是字节)

    则块内地址为低7位

    64KB/128B=2^16B / 2^7B= 2^9

    Cache有2^9行

    Cache行数占中间9位

    30-7-9=14

    则主存组号占高14位

    (2)
    直接映射则无需控制位

    全写方式下,无需修改位(若数据有更改则在Cache中修改同时修改对应主存数据)

    但是仍需要标志位和有效位

    标志位:对应主存组号

    有效位:有效位为0表示该Cache行存的数据是无效的,会做缺失处理

    则Cache总容量:

    2^9x(128x8+14+1)=519.5K位

    Ps:千万不要把地址和Cache每一行的结构弄混了

    上面说的主存各个数位的划分,划分的是地址

    Cache每一行内的结构并不是:主存组号,Cache行数,块内地址

    而是标记,数据

    标记位可能有控制位,修改位,有效位,标志位

    数据则是取决于计算机的字长,一字大小

    二:全相联映射

    地址划分:标记,块内地址

    直接用比较多位的标记位来直接映射主存块号(这里主存块不分组,就是从0开始到第几块)

    三:组相联映射

    地址划分:标记,Cache组号,块内地址

    这里是将主存块和Cache行都进行了分组(n个cache行分到一组)

    然后,每个主存块可以映射到一个Cache组内的任意行

    Ps:替换时不是像直接映射那样整个Cache去替换,而是要用哪块替换哪块
    地址划分的“标记”指的是主存组号

    访问过程:根据主存地址中的标记找到对应主存块组

    根据Cahce组号找到对应Cache组和当前主存块组内的对应主存块

    用当前主存块,逐行比较组内的各Cache行,若命中则命中

    若无则做Cache缺失处理

    展开全文
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空空如也

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直接映射高速缓存

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