存储器层次结构与多级Cache性能分析

"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。