理解 Cache 机制与存储层次结构

"本资源为计算机系统基础第六章关于层次结构存储系统的讲解，重点讨论了Cache的计算方法和存储器的层次结构。" 在计算机系统中，Cache是一种高速缓冲存储器，用于减少CPU访问主存时的延迟。计算Cache容量的过程涉及到多个因素，包括Cache的行数（Lines）、块大小（Block Size）以及地址映射方式。 首先，以一个具体例子说明如何计算Cache的容量。例如，有一个Cache有64行，块大小为16字节。要确定字节地址1200映射到哪一行，可以通过将字节地址除以块大小并取模得到。1200除以16等于75，模64的结果是11，所以地址1200位于第11行。 接下来，我们考虑一个Cache的配置：直接映射，16K行数据，块大小为1个字（4字节），主存地址为32位。Cache的存储布局计算如下：每行需要存储32位的数据地址（因为主存地址为32位），加上额外的标记位（tag bits，用于区分不同主存块）和替换策略位（比如LRU或随机替换）。在这种情况下，由于地址已知为32位，且行数为16K（即2^14行），块大小为1个字（32位），因此标记位为32 - 14 - 2（32位地址中减去行号14位和块内偏移2位），加上1位的valid bit。所以，Cache的大小为2^14行乘以每行的总位数，即2^14 × (32 + (32 - 14 - 2) + 1)，计算结果是784 Kbits。 如果块大小变为4个字（16字节），那么每行需要存储4倍的地址位，同时标记位和替换策略位保持不变。Cache的大小变为2^14 × (4 × 32 + (32 - 14 - 2 - 2) + 1)，计算结果是2288 Kbits。 对于块大小为2^m个字的情况，计算方法类似，只是需要调整块大小的位数。 在层次结构存储系统中，CPU与主存之间的连接以及读写操作至关重要。存储器的层次结构包括CPU寄存器、L1 Cache、L2 Cache、L3 Cache（如果存在）直到主存，再往下可能是硬盘等慢速存储。这种层次结构的设计基于程序的局部性原理，即程序在一段时间内倾向于访问同一组数据或指令。通过将最近或最常访问的数据存放在接近CPU的快速存储中，可以显著提升系统性能。 虚拟存储器是另一个关键概念，它提供了比实际物理内存更大的地址空间，通过页面映射和页面替换策略，使得程序能够运行在不完全装入内存的情况下。在IA-32/Linux系统中，地址转换涉及到逻辑地址到线性地址，再到物理地址的转换，这通常需要查询页表和TLB（Translation Lookaside Buffer）。 总结来说，理解存储系统的层次结构，包括Cache的工作原理、容量计算以及虚拟存储器的管理，对于优化程序性能和理解计算机系统运行机制至关重要。这些知识不仅涉及理论，也直接影响到实际编程实践中的性能优化。