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4-缓存

2024-12-08
julyfunnotes大四上计算机体系结构

mostly gpt-4o写策略（Write Policies）写回（Write-back）： 保证仅直接操作缓存缓存中映射了内存的某一些地址。如果写时目标地址在缓存中，则称为“写命中”，此时可以先写入缓存，暂时不写入内存. 之后会刷入内存.当发生写命中时，数据只写入缓存，而不立即写入主存。写入缓存后，标记为“脏”的位会被设置为1，表示该块数据已被修改但尚未写入主存。写入缓存的速度很快，因此写回缓存的写延迟通常很小。当一个块从写回缓存中被驱逐时，如果其“脏”位为1，则必须将该块的数据写入主存。这增加了硬件实现的复杂性。直写（Write-through）： 保证操作主存当发生写命中时，数据同时写入缓存和主存。写入缓存的速度很快，但写入主存的速度较慢，因此直写缓存的写延迟比写回缓存的要慢。直写缓存使硬件设计更简单，因为可以假设主存中的数据始终是最新的。写绕过（Write-around）：什么玩意儿在任何情况下，数据都直接写入主存。如果写入的数据块在缓存中存在，则将其有效位设置为无效。本质上，写绕过缓存中不存在写命中，写“命中”与写未命中执行相同的操作。未命中策略（Miss Policies）写分配（Write-allocate）：保证仅直接操作缓存当发生写未命中时，将未命中的块加载到缓存中。针对写回、写分配缓存，这意味着数据不会直接写入主存，而是先写入缓存，随后在块被驱逐时再更新主存。无写分配（Write-No-Allocate）：保证操作主存未命中时，数据直接写入主存，而不将数据加载到缓存中。这种策略适用于写操作较少的情况，因为它避免了不必要的缓存替换。缓存替换策略LRU（Least Recently Used，最近最少使用）：当需要驱逐一个缓存块时，选择那个最久未被使用的块。这种策略假设最近使用的数据块在未来也可能会被再次使用，因此优先保留最近使用的块。实现LRU策略需要跟踪每个块的使用时间，这可能需要额外的硬件或软件开销。Random（随机替换）：当需要驱逐一个缓存块时，随机选择一个块进行驱逐。这种策略实现简单，不需要跟踪缓存块的使用历史。虽然随机替换策略在某些情况下可能不如LRU等策略高效，但在实现复杂度和性能之间提供了一个平衡点。N 路N-Way Set Associative（N路组相联）是一种缓存放置策略，它结合了直接映射和全相联缓存的优点。缓存被分成若干组（sets），每组包含多个缓存块（ways）。内存地址首先映射到一个特定的组，然后可以放置在该组内的任何一个块中。具体参数解释Associativity (相联度):在这张图片中，相联度设置为4，这意味着缓存是4路组相联。这表示每个组内有 N = 4 个缓存块。Cache Size (缓存大小):缓存总大小为256字节。Block Size (块大小):假设块大小为16字节。计算组数缓存的总大小为256字节，相联度为4，块大小为16字节：每组的大小 = 相联度 × 块大小 = 4 × 16 = 64字节组数 = 缓存总大小 / 每组大小 = 256 / 64 = 4组工作原理地址映射:内存地址通过索引部分映射到特定的组，索引的计算方式是：(内存地址 / 块大小) % 组数例如，对于一个地址0x00，块大小为16字节，组数为4：组索引 = (0x00 / 16) % 4 = 0地址0x10：组索引 = (0x10 / 16) % 4 = 1L1 & L2image.png|500就是说 L1 没访问到，才去访问 L2

3-内存布局

2024-10-28
julyfunnotes大四上计算机体系结构

通用名词IR: 指令寄存器PC: 程序计数器PCB: 进程控制块，存储进程状态（阻塞），PID，计数器等指令jmpi 100, CS: CS = 0 | 跳转到第 0 段起始位置 + 100 的位置程序分段 SegmentLDT : Local Descriptor Table 局部段表，存储每个段的编号，起始，大小，权限分页 Page一个段可由若干逻辑页组成PT: 页表，将逻辑页映射到物理帧帧则是物理分块，和页分块大小一致多级页表首先考虑物理 4GB 内存被分为 1M 个大小为 4KB 的帧每个进程使用一些帧，用一个 Page 结构体存储:// 以下为猜测 struct Page: 32bit { valid: ?, frame_id: 20bit offset: 12bit // 20 + 12 刚好表示一个 byte 地址 sign: R/W } each process has page: Page[1M] (stupid design)这里每个页条目为 4B开了一兆结构体，浪费 4M 内存，这些结构体需要 1024 页存储故引入 1024 个 2 级页条目，表示第 i 个 2 级页是否使用（每个 2 级页最多可存储 4KB / 4 = 1024 个 1 级页），若使用则地址在哪里，省无用空

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