"这篇资料是南航计算机组成原理课程的一部分,主要讨论了多级缓存(Cache)对系统性能的影响,特别是L1 Cache和L2 Cache的使用如何提高处理器执行速度。内容涵盖了存储器层次结构,包括存储器的概述、主存与CPU的连接、高速缓冲存储器以及虚拟存储器的基础知识。"
在计算机系统中,存储器层次结构是一个关键设计,它通过在CPU和主存之间插入高速缓存来提升性能。多级缓存系统如L1 Cache和L2 Cache,利用了程序访问的局部性原理,即程序倾向于重复访问同一组数据。L1 Cache是最快的但容量最小,而L2 Cache较慢但容量更大。当L1 Cache中没有所需数据时,会去L2 Cache查找,最后才访问主存。
在给定的描述中,提到了一个计算处理器执行速度提升的例子。假设无缓存缺失时,每条指令的CPI(Cycle Per Instruction,每条指令所需的周期数)为1,时钟频率为5GHz,主存访问时间为100ns,L1 Cache的全局缺失率为2%,而新增加的L2 Cache访问时间为5ns,能将全局缺失率降低到0.5%。
首先,我们计算一级Cache(仅L1)的情况。每条指令L1 Cache缺失的概率是2%,因此每条指令平均会有0.02次的主存访问,对应的缺失损失为100ns x 5GHz = 500个时钟周期。因此,CPI = 1 + 500 x 2% = 11.0。
接着,考虑二级Cache(L1和L2)的情况。L1 Cache的缺失会导致5ns的延迟,L1和L2都缺失则导致100ns的延迟。L1的缺失率为2%,L2的全局缺失率为0.5%。所以CPI计算如下:1 + (5ns x 5GHz x 2%) + (100ns x 5GHz x 0.5%) = 4.0。
通过比较两者的CPI,我们可以得出性能提升的倍数:11.0 / 4.0 = 2.8倍。这意味着引入L2 Cache后,处理器执行指令的速度提高了2.8倍。
存储器的其他方面,如RAM芯片、主存与CPU的连接、存储器地址寄存器(MAR)和数据寄存器(MDR),以及各种类型的存储器(如RAM、SAM、DAM和CAM),都是计算机组成原理中的基本概念。它们共同构成了理解计算机存储系统工作原理的基础。
多级缓存系统通过减少主存访问次数,显著提升了处理器的运行效率。存储器层次结构的设计,结合各种类型的存储器,共同确保了数据的快速存取,优化了系统的整体性能。