计算机系统结构存储层次与Cache管理

系统结构课后习题答案5 本资源主要涵盖了系统结构课程的相关知识点，特别是存储层次和Cache相关的概念和技术。 **存储层次** 存储层次是指采用不同的技术实现的存储器，处在离CPU不同距离的层次上，目标是达到离CPU最近的存储器的速度，最远的存储器的容量。这意味着，存储层次的设计需要考虑到存储器的速度、容量和距离等因素，以达到最佳的存储性能。 **Cache相关概念** Cache是高速缓存器，位于CPU和主存之间，用于存储经常访问的数据，以提高存储访问速度。Cache的设计需要考虑到映象方式、替换算法、写策略等方面。 **映象方式** 1. 全相联映象：主存中的任一块可以被放置到Cache中任意一个地方。 2. 直接映象：主存中的每一块只能被放置到Cache中唯一的一个地方。 3. 组相联映象：主存中的每一块可以放置到Cache中唯一的一组中任何一个地方。 **替换算法** 由于主存中的块比Cache中的块多，所以当要从主存中调一个块到Cache中时，会出现该块所映象到的一组（或一个）Cache块已全部被占用的情况。这时，需要被迫腾出其中的某一块，以接纳新调入的块。 1. LRU（Least Recently Used）：选择最近最少被访问的块作为被替换的块。 **写策略** 1. 写直达法：在执行写操作时，不仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器中相应的块。 2. 写回法：只把信息写入Cache中相应块，该块只有被替换时，才被写回主存。 3. 按写分配法：写失效时，先把所写单元所在的块调入Cache，然后再进行写入。 4. 不按写分配法：写失效时，直接写入下一级存储器中，而不把相应的块调入Cache。 **其他相关概念** 1. 命中时间：访问Cache命中时所用的时间。 2. 失效率：CPU访存时，在一级存储器中找不到所需信息的概率。 3. 失效开销：CPU向二级存储器发出访问请求到把这个数据调入一级存储器所需的时间。 4. 强制性失效：当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需要从下一级存储器中调入Cache，这就是强制性失效。 5. 容量失效：如果程序在执行时，所需要的块不能全部调入Cache中，则当某些块被替换后又重新被访问，就会产生失效，这种失效就称作容量失效。 6. 冲突失效：在组相联或直接映象Cache中，若太多的块映象到同一组（块）中，则会出现该组中某个块被别的块替换（即使别的组或块有空闲位置），然后又被重新访问的情况。 ** Cache经验规则** Cache的设计需要考虑到各种因素，以达到最佳的存储性能。 Cache的经验规则可以帮助设计者更好地设计Cache，以提高存储系统的性能。