【正文】 Cache控制器較復(fù)雜。 n X(B) X(1)X(0)Page 0Page 1Page 2Page n32KBOfMemoryFigure Organization of a two way set associative memory subsystemMain Memory “Pages”X(A)X(2)32KBOfMemoryCache MemoryBank A Bank B5. Cache控制器 82385n 82385是為 80386系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能優(yōu)良的高速緩存控制器， 有 132個(gè)引腳。n 由它完成對(duì) Cache系統(tǒng)的全部控制和管理，其設(shè)計(jì)思想是很有代表性的。n 它對(duì) Cache系統(tǒng)的控制和管理體現(xiàn)在以下方面：n Cache和主存的映像關(guān)系的處理；n 未命中 Cache時(shí)的處理；n Cache的數(shù)據(jù)更新。n 82385通過(guò)片內(nèi)的 Cache目錄（由 SRAM電路構(gòu)成）實(shí)現(xiàn)外部的 32KB Cache和 4GB（ 4千兆字節(jié)）主存之間的映像。n 該芯片有一個(gè) 引腳 ，用于選擇 “兩路組相聯(lián) ”方式和 “直接映像 ”方式。(1) 82385控制的 直接映像 方式 Cache系統(tǒng)n 82385控制的直接映像 Cache組織示意圖如圖 示 .n 由圖可見(jiàn) 內(nèi)部 Cache目錄、外部 Cache及 80386 4GB主存 三者之間的關(guān)系。第 0組第 1組第 1023組...17位標(biāo)記 行有效位標(biāo)記有效位32SRAM32KB(外部 cache)82385內(nèi)部 cache目錄頁(yè) 01221722171頁(yè)面大小 ＝32KB（ 8K雙字 ）4千兆字節(jié)主存圖 直接映象 Cache組織示意圖 (82385)n 將 4GB主存空間看成由一系列 32KB（ 8K個(gè)雙字 行 ）的頁(yè)組成。n 容易算出共有： 4GB247。32KB=128K=217頁(yè)。從第 0頁(yè)～第 2171頁(yè)，頁(yè)號(hào)需 17位二進(jìn)制表示。n 每頁(yè)大小和 Cache容量一樣。n 把 Cache分成 1024組 (set)， 每組含 8行（８?jìng)€(gè)雙字），一行是主存和 Cache之間一次傳輸?shù)男畔⒘?。n Cache的每一組對(duì)應(yīng)一個(gè) 26位的目錄項(xiàng)， 1024個(gè) 目錄項(xiàng) 組成一個(gè) Cache總目錄。n Cache目錄項(xiàng)中包含 17位的 “標(biāo)記 ”（ TAG） ， 1位 “標(biāo)記有效位 ”， 8位 “行有效位 ”。n “標(biāo)記 ”的值就是 32K的頁(yè)的 頁(yè)號(hào) 。 “標(biāo)記 ”用 17位表示。n 標(biāo)記有效位 表示 Cache中這一組的值是否有效。若該位為０，則整個(gè)組內(nèi) 8行的值均無(wú)效（例如系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，所有目錄項(xiàng)的標(biāo)記有效位均清 0）。n 只有該位為 1時(shí)，這一組的行值才可能有效，而某一個(gè)行值是否有效，還要看對(duì)應(yīng)的 行有效位 的值，行有效位為 8位，一位對(duì)應(yīng)一行。 ＊ 80386地址總線(xiàn)為 32位，可尋址范圍為 232字節(jié) （4000M字節(jié)）。n 82385把來(lái)自 80386引腳 A31～ Ａ 2輸出的地址分為三部分，如下圖所示：數(shù)據(jù)讀出過(guò)程： 當(dāng) 80386送來(lái) 32位主存地址時(shí)， 82385便以其中的 10位組地址 從其內(nèi)部 1024個(gè)目錄項(xiàng)中選擇一個(gè)， 若 :n ① 其標(biāo)記與地址 A31～ A15相等； ② 且標(biāo)記有效位為 1； ③ 同時(shí)相應(yīng)的行有效位也為 1，則命中。 從而使 Cache中選定的雙字送 80386數(shù)據(jù)總線(xiàn)，完成一次存儲(chǔ)器讀操作。n 若其中有任一條件不符，則表示不命中，系統(tǒng)都會(huì)直接訪(fǎng)問(wèn)主存，而且在數(shù)據(jù)送給 80386的同時(shí)寫(xiě)入 Cache中，接著修改 82385內(nèi)部的相應(yīng)目錄項(xiàng) .n 如果是行未命中 （即 80386的高 17位地址與 Cache目錄標(biāo)記相等，而且標(biāo)記有效位為 1，但行有效位為 0），則目錄修改過(guò)程很簡(jiǎn)單，只需將對(duì)應(yīng)的 “行有效位 ”改為 1；n 如果是標(biāo)記未命中， 則目錄修改包括將 A31～ A15的值寫(xiě)入目錄項(xiàng)的標(biāo)記中，再將 “標(biāo)記有效位 ”置 1，又將對(duì)應(yīng)的 “行有效位 ”置 1，同時(shí)將其他 7個(gè) “行有效位 ”清 0。以后，再遇到這個(gè)目錄項(xiàng)的 “標(biāo)記命中 ”而 “行未命中 ”時(shí)，只需將對(duì)應(yīng)的 “行有效位 ”置 1即可 。(2) 82385控制的 雙路組相聯(lián) 方式 Cache系統(tǒng)n 82385控制的 “雙路組相聯(lián) ”方式的 Cache目錄、 Cache和主存之間的關(guān)系示意圖如圖 。第 0組第 1組第 511組...目錄 A標(biāo)記有效位A32外部 cache (16kBX2)Cache目錄 頁(yè) 0 1221822181頁(yè)面大?。?16KB4千兆字節(jié)主存(DRAM)圖 兩路組相聯(lián) Cache 組織示意圖18位標(biāo)記 行有效位18位標(biāo)記 行有效位目錄 B標(biāo)記有效位B32LRU內(nèi)部 cache 目錄n 主存仍為 4GB， Cache為 32KB， 分為 A路和 B路，每路 16KB。 每個(gè)雙字（ 32位）為一行， 8個(gè)雙字為一組，因此每路有 512組。n 主存頁(yè) [面 ]大小為 16KB， 4GB的主存分為 256K頁(yè)。n 82385內(nèi)部的 Cache目錄中，共含 5122個(gè)目錄項(xiàng)。每個(gè)目錄項(xiàng) 27位，其中， 18位標(biāo)記，以區(qū)分 256K個(gè)頁(yè)； 1位標(biāo)記有效位；另外 8位為行有效位。n 主存每個(gè) “存儲(chǔ)頁(yè) ”上處于相同位置的行對(duì)應(yīng)于Cache中兩路中的各一行（ A行或 B行）。 n 與這種機(jī)制相對(duì)應(yīng)， 82385為 A路和 B路的每一對(duì)目錄項(xiàng)配置了 一 位 “最近最少使用 ”位 LRU（ Least Recently Used） 。 通過(guò)此位， 82385在未命中處理時(shí)判斷新寫(xiě)入的數(shù)據(jù)是存入 A路還是 B路。n 下圖表示在雙路組相聯(lián)方式下， 82385如何從 Cache中選取一行： n 讀操作時(shí)，根據(jù) A13～ A5從 5122個(gè)目錄項(xiàng)選 一對(duì)目錄項(xiàng) 。然后 82385用 A31～ A14和兩個(gè)所選目錄項(xiàng)的 標(biāo)記 比較，并檢查兩個(gè)目錄項(xiàng)的 標(biāo)記有效位和行有效位 .n 注意，這兩個(gè)目錄項(xiàng)的比較和檢測(cè)是同時(shí)進(jìn)行的。如果檢測(cè)到有一個(gè)目錄項(xiàng)符合命中要求，那么， 82385會(huì)使對(duì)應(yīng)的一路 Cache中的一個(gè)雙字送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線(xiàn)上。n 如果數(shù)據(jù)在 A路 Cache中，則使這一對(duì)目錄項(xiàng)的 LRU位指向 B； 反之，則使 LRU位指向 A。n 在 80386進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，如果寫(xiě)入的區(qū)塊（行）已映象到 Cache中，則產(chǎn)生 Cache寫(xiě)入命中。 這時(shí)，Cache相應(yīng)區(qū)塊和主存一起更新內(nèi)容。n 如果 A路 Cache命中，則更新 A路的區(qū)塊，且使 LRU位指向 B路；如果 B路命中，則更新 B路的 Cache， 并使 LRU位指向 A路。n 復(fù)位時(shí)，目錄中所有的 標(biāo)記有效位清 0。n 組相聯(lián) Cache的優(yōu)點(diǎn)是命中率比直接映象方式稍高，缺點(diǎn)是標(biāo)記占用較多的 SRAM， 另外， Cache控制器比較復(fù)雜。6 .Cache的數(shù)據(jù)更新方法n 在 Cache系統(tǒng)中，同樣一個(gè)數(shù)據(jù)可能既存在于 Cache中，也存在主存中。這樣，當(dāng)數(shù)據(jù)更新時(shí)，可能Cache已更新，而主存未更新。這種情況會(huì)造成 數(shù)據(jù)丟失 。n 另外，在有 DMA控制器的系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)中，有多個(gè)部件可訪(fǎng)問(wèn)主存，這時(shí)，可能其中有些部件是直接訪(fǎng)問(wèn)主存的，也可能每個(gè) DMA部件和處理器配一個(gè) Cache， 這樣，主存的一個(gè)區(qū)塊可能對(duì)應(yīng)于多個(gè) Cache中的各一個(gè)區(qū)塊。n 于是，又會(huì)產(chǎn)生 主存中的數(shù)據(jù)被某個(gè)總線(xiàn)主部件更新過(guò)，而某個(gè) Cache中的內(nèi)容未更新， 這種情況造成 Cache中 數(shù)據(jù)過(guò)時(shí)。 對(duì)前一種一致性問(wèn)題，有 3個(gè)解決辦法：(1)直寫(xiě)式 （ Write through）q 如用這種方法，那么，每當(dāng) CPU把數(shù)據(jù)寫(xiě)到 Cache中時(shí)，Cache控制器會(huì)立即把數(shù)據(jù)寫(xiě)入主存對(duì)應(yīng)位置。所以，主存隨時(shí)跟蹤 Cache的最新版本，從而，也就不會(huì)有主存將新的數(shù)據(jù)丟失這樣的問(wèn)題。q 此方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單 .q 缺點(diǎn) : 每次 Cache內(nèi)容有更新，就有對(duì)主存的寫(xiě)入操作，這樣，造成總線(xiàn)活動(dòng)頻繁，系統(tǒng)速度較慢。 (2)緩沖直寫(xiě)式（ buffered Write through）q 這種方式是在主存和 Cache之間加一個(gè)緩沖器，每當(dāng)Cache中做數(shù)據(jù)更新時(shí)，也對(duì)主存作更新，但是，要寫(xiě)入主存的數(shù)據(jù)和地址先存在緩沖寄存器中，在 CPU進(jìn)入下一個(gè)操作時(shí)，緩沖器中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入主存，這樣，避免了直寫(xiě)式速度較低的缺點(diǎn)。q 用此方式，緩沖器只能保持一次寫(xiě)入數(shù)據(jù)，如果有兩次連續(xù)的寫(xiě)操作， CPU還是要等待。 (3)回寫(xiě)式 (write back)q 用這種方式時(shí)， Cache每一個(gè)區(qū)塊的標(biāo)記中都要設(shè)置一個(gè)更新位， CPU對(duì) Cache中一個(gè)區(qū)塊寫(xiě)入后，如未更新相應(yīng)的主存區(qū)塊，則更新位置 1。q 在每次對(duì) Cache寫(xiě)入時(shí)， Cache控制器須先檢查更新位，如為 0，則可直接寫(xiě)入，反之，則 Cache控制器先把Cache現(xiàn)有內(nèi)容寫(xiě)入主存相應(yīng)位置，再對(duì) Cache進(jìn)行寫(xiě)入。q 用回寫(xiě)式時(shí)，如果 Cache中更新一個(gè)數(shù)據(jù)，此后又不是立即被再次更新，那么就不會(huì)寫(xiě)入主存，這樣，真正寫(xiě)入主存的次數(shù)可能少于程序的寫(xiě)入次數(shù)，從而，可能提高效率。q 用這種方式， Cache控制器比較復(fù)雜。 q 對(duì)后一種一致性問(wèn)題 (即出現(xiàn)主存區(qū)塊更新 而 Cache未更新的情況 )，一般有四種防止方法 :(1). 總線(xiàn)監(jiān)視法q 在這種方法中，由 Cache控制器隨時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的地址總線(xiàn)，如其他部件將數(shù)據(jù)寫(xiě)到主存，并且寫(xiě)入的主存區(qū)塊正好是 Cache中的區(qū)塊對(duì)應(yīng)位置，那么， Cache控制器會(huì)自動(dòng)將 Cache中的區(qū)塊標(biāo)為 “無(wú)效 ”。 q 上面講述的 Cache控制器 82385就是用這種方式來(lái)保護(hù)Cache內(nèi)容的一致性。 (2) 硬件監(jiān)視法q 把主存中映象到 Cache的區(qū)塊稱(chēng)為已映象區(qū)塊，硬件監(jiān)視法就是通過(guò)外加硬件電路，使 Cache本身能觀(guān)察到主存中已映象區(qū)塊的所的存取操作。要達(dá)到這個(gè)目的，最簡(jiǎn)單的辦法是所有部件對(duì)主存的存取都通過(guò)同一個(gè)Cache完成。q 另一個(gè)辦法是每個(gè)部件配備各自的 Cache， 當(dāng)一個(gè) Cache有寫(xiě)操作時(shí)，新數(shù)據(jù)既拷貝到主存，也拷貝到其他Cache， 從而防止數(shù)據(jù)過(guò)時(shí)，這種方法也稱(chēng)為廣播式。 (3)劃出不可高速緩存存儲(chǔ)區(qū)法q 按照這種方式，要在主存中劃出一個(gè)區(qū)域作為各部件共享區(qū)，這個(gè)區(qū)域中的內(nèi)容永遠(yuǎn)也不能取到 Cache， 因此， CPU對(duì)此區(qū)域的訪(fǎng)問(wèn)也必須是直接的，而不是通過(guò)Cache來(lái)進(jìn)行的。q 用這種方法，便可避免主存中一個(gè)區(qū)塊映象到多個(gè)Cache的情況，于是也避免了數(shù)據(jù)過(guò)時(shí)的問(wèn)題。 (4) Cache清除法q 這種方法是將 Cache中所有已更新的數(shù)據(jù)寫(xiě)回到主存，同時(shí)，清除 Cache中的所有數(shù)據(jù)。q 在進(jìn)行一次這樣的主存寫(xiě)入時(shí)，系統(tǒng)中所有 Cache作一次大清除，那么， Cache中自然不會(huì)有過(guò)時(shí)的數(shù)據(jù)。 練習(xí) “直接映像 ”Cache 目錄中某一組的目錄項(xiàng)為00005FFH(26位二進(jìn)制） , 那么 Cache中緩存的信息來(lái)自于主存的哪一頁(yè)？ Cache 中這一組的值有效嗎？哪些行有效？ 2. 說(shuō)明在 82385控制下， CPU 進(jìn)行一次讀操作的工作過(guò)程 。第 12章 作業(yè)第 5題第 8題第 16題第 21題第 25題第 27題小 測(cè)驗(yàn)（ 2） （抄題 ） 20220605n 某計(jì)算機(jī)內(nèi)存系統(tǒng)由 64K1位的 SRAM芯片構(gòu)成，內(nèi)存容量為 1M字節(jié)，采用模塊結(jié)構(gòu)，每個(gè)模塊 256K字節(jié)，每個(gè)模塊分 4組。 試計(jì)算為構(gòu)成該存儲(chǔ)器所需的芯片數(shù)，并給出地址分配情況 (“模塊選擇 ”、 “組選擇 ”、 “片內(nèi)地址 ”各占哪幾位 )。n 姓名： 學(xué)號(hào)：小 測(cè)驗(yàn)（ 3） （抄題 ） 20220612 簡(jiǎn)述存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)片選控制的三種方法及各自特點(diǎn)。n 姓名： 學(xué)號(hào)