存储器学习笔记（cache、寄存器、内存、硬盘）

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存储器学习笔记（cache、寄存器、内存、硬盘）

2024-07-05 21:33:59| 来源: 网络整理| 查看: 265

目录储存单位换算存储器的分级catch的结构和工作原理结构三种映射方式直接映射全相联映射组相联映射总结 cache的基本结构（cache line）

储存单位换算 bit(比特)是计算机中表示数据的最小单位，经常听到的16位机、32位机，就是指比特Byte（字节）是计算机处理数据的单位，计算机以字节为单位处理数据1Byte = 8 bitKB、MB、GB中的B指的就是Byte，字节是数据传输的基本单位，为8位2进制数，00000000~ 11111111换算成十位数就是0~2551TB=1024GB 1GB=1024MB 1MB=1024KB 1KB=1024Byte 存储器的分级

存储器是分层次的，离CPU越近，速度越快，每字节的成本也越高，同时容量也因此越小。寄存器离CPU最近，因此速度最快，成本最高，所以个数和容量有限。其次是高速缓存（缓存也是分级，有L1，L2等缓存），再次是主存（普通内存），再次是本地磁盘。

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寄存器：中央处理器内的组成部份。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和位址。在中央处理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器(IR)和程序计数器(PC)。在中央处理器的算术及逻辑部件中，包含的寄存器有累加器(ACC)cache：即高速缓冲存储器，由静态存储芯片（SRAM）组成，是位于CPU与主内存间的一种容量较小但速度很高的存储器。由于CPU的速度远高于主内存，CPU直接从内存中存取数据要等待一定时间周期，Cache中保存着CPU刚用过或循环使用的一部分数据，当CPU再次使用该部分数据时可从Cache中直接调用,这样就减少了CPU的等待时间,提高了系统的效率。Cache又分为一级Cache(L1 Cache)和二级Cache(L2 Cache)，L1 Cache集成在CPU内部，L2 Cache早期一般是焊在主板上,现在也都集成在CPU内部，常见的容量有256KB或512KB L2 Cache。内存：内存包含的范围非常广，一般分为只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）和高速缓存存储器（cache）

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存储器分级，利用的是局部性原理。我们可以以经典的阅读书籍为例。我在读的书，捧在手里（寄存器），我最近频繁阅读的书，放在书桌上（缓存），随时取来读。当然书桌上只能放有限几本书。我更多的书在书架上（内存）。如果书架上没有的书，就去图书馆（磁盘）。我要读的书如果手里没有，那么去书桌上找，如果书桌上没有，去书架上找，如果书架上没有去图书馆去找。可以对应寄存器没有，则从缓存中取，缓存中没有，则从内存中取到缓存，如果内存中没有，则先从磁盘读入内存，再读入缓存，再读入寄存器。 catch的结构和工作原理结构首先，要想理解cache，先理解内存。内存的简单表示如下图，内存里面的内容的查找是根据地址来进行的，也就是说内存包含两点①地址②内存的内容（存的数据），根据地址来找数据。内存的结构

上图的0000~ 0008是地址，A~I是存的数据，cpu根据地址去寻找数据。图中的一个字母代表一个字节的数据。我们都清楚，cache中的数据就是主存中数据的子集，主存中的数据对于cache中的数据映射可以分为三种：直接映射的cache组相联的cache全相联的cache 三种映射方式直接映射一个内存地址能被映射到的cache line是固定的。好比每个人的停车位都是固定分配好的，可以直接找到优点：硬件简单，成本低，地址变换速度快，而且不涉及替换算法问题缺点：因为人多车位少，很可能几个人争用同一个车位，导致Cache淘汰换出频繁，需要频繁的从主存读取数据到Cache，Cache的存储空间得不到充分利用，这个代价也较高。

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全相联映射主存中的一个地址可被映射进任意cache line优点：全相联映射方式比较灵活，主存的各块可以映射到Cache的任一块中，Cache的利用率高，块冲突概率低，只要淘汰Cache中的某一块，即可调入主存的任一块。缺点：当寻找一个地址是否已经被cache时，需要遍历每一个cache line来寻找，这个代价很高。就像停车位可以大家随便停一样，停的时候简单，找车的时候需要一个一个停车位的找了。并且由于cache比较电路的设计和实现比较困难，这种方式只适合小容量的cache采用。

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组相联映射组相联映射实际上是直接映射和全相联映射的折中方案，适度兼顾二者的优点，尽量避免二者的缺点，因而得到普遍采用

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主存和cache都分组，主存一个组的中的分块数和cache中的分组数相同，组间采用直接映射，组内采用全相联映射。也就是说，将Cache分成2u组，每组包含2v块，主存块存放到哪个组是固定的，至于存到该组哪一块则是灵活的。即主存的某块只能映射到Cache的特定组中的任意一块。主存的某块b与Cache的组k之间满足以下关系：k=b%(2^u)例如，Cache分为8组(u=3)，每组2块(v=1)，主存分为128个区，每个区16块。在这里插入图片描述

主存中的各块与Cache的组号之间有固定的映射关系，但可自由映射到对应Cache组中的任何一块。例如： *主存的第0块、第2u块、第2×(2u)块、…第255x(2u)即255x8=2040块等256块均映射于Cache的第0组（组间直接映射），但可映射到其中的第0块或第1块（组内全相联映射） *主存的第1块、第2u+1块、第(2u)+1块、…第255x(2u+1)即2041块等均映射于Cache的第2组，但可映射到Cache第2组中的任意一块 *主存的第2块、第2u+2块、第（2u）x2+2块、…第2042块等均映射于Cache的第3组，但可映射到Cache第3组中的任意一块；常采用的组相联结构Cache，每组内有2、4、8、16块，称为2路、4路、8路、16路组相联Cache。以上为2路组相联Cache。总结

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cache的基本结构（cache line） cache的结构其实和内存的结构类似，也包含地址和内容cache的内容除了存的数据（data）之外，还包含存的数据的物理内存的地址信息（tag），因为CPU发出的寻址信息都是针对物理内存发出的，所以cache中除了要保存数据信息之外，还要保存数据对应的地址，这样才能在cache中根据物理内存的地址信息查找物理内存中对应的数据。（当然为了加快寻找速度，cache中一般还包含一个有效位（valid），用来标记这个cache line是否保存着有效的数据）。一个tag和它对应的数据组成的一行称为一个cache line。如下图所示，下表中的一行就是一个cache line。

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知道了cache的结构之后，如何在cache中去寻找对应的数据呢？简单起见，我们先选择直接映射的cache组成方式进行下文的分析。首先对于一段物理内存（block），该物理内存上的每个字节的地址划分为以下几段：在这里插入图片描述

这样的话物理内存中的数据到cache的映射关系如下图所示：在这里插入图片描述

上图映射的原则就是： *根据物理地址的中间三位（index字段）来定位当前数据应该在cache的哪一行 *把物理地址的tag字段和该地址对应的内容放入对应的cache line的tag字段和data字段 *把相应的valid位置1 *在之后进行cache寻找的时候就可以根据cache line的tag字段来辨认当前line中的数据是数据哪个block的上面的分析时针对直接映射的cache进行的，对于组相联或者全相联的cache的分析与之类似。如果是组相连的cache，每个组(set)里面包含多个行(line)，通过内存地址的index字段来寻址组，确定组之后再根据tag来确定是否命中对于全相连的cache，就不需要index字段了，因为全相连的cache相当于只有一个组的组相连cache

注：为了叙述的简单性，省略了内存地址通过TLB的的虚实转换部分，由cache的工作原理可知，内存地址的Tag部分其实是需要先经过TLB的转化才能够去和cache line的tag部分去进行匹配的。

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