cache access time

在现代计算机系统中，缓存访问时间（Cache Access Time）对于系统性能有着至关重要的影响。缓存是位于处理器和主内存之间的高速存储设备，其目的是减少处理器访问主内存的平均延迟时间。本部分内容旨在探讨如何改善平均内存访问时间，重点在于减少命中时间（Hit Time）和降低缺失惩罚（Miss Penalty）。 命中时间是指处理器访问缓存时，找到所需数据所需的时间。要改善命中时间，可以采取以下方法： 1. 使用直接映射缓存（Direct-mapped cache）：直接映射缓存的每个主存块只可以映射到缓存的一个特定位置，这样可以减少查找缓存条目的时间。 2. 读取操作的优化： - 重叠标签检查与数据访问，即在数据未完全读出之前，就对缓存的标签部分进行检查。 - 如果标签不匹配，则丢弃数据，立即进行下一次访问。 3. 写入操作的优化： - 对于写入操作，采用流水线写入命中阶段，将写入操作分成多个阶段处理，例如WT（Write Through）、WTC（Write Through with Cache）、Write 1、TC Write 2、Write 3、TC Write等，从而减少单次写入的延迟。 - 使用写缓冲（Write buffers）来加速写入操作，处理器在写缓冲区更新数据后即可释放，写缓冲区随后将数据写入缓存。这种方法可以加速写操作，因为它允许处理器在缓存实际上尚未更新时继续进行其他操作。 4. 虚拟缓存（Virtual Cache）：只适用于支持虚拟内存的系统。虚拟地址首先翻译为物理地址，然后使用物理地址检查缓存标签。不过，由于地址转换，虚拟地址不能直接用作标签存储。因此，在上下文切换时，或者缓存需要包含进程标识符（PID），以便在不同进程间区分缓存条目，可能需要刷新缓存。 缺失惩罚是指处理器未能在缓存中找到所需数据时，从主内存中获取数据所需的时间。为了减少缺失惩罚，可以采取以下措施： 1. 优先处理读取缺失而不是写入缺失：考虑一个使用写穿（Write-through）策略的直接映射缓存，如果两个地址512和1024映射到同一个缓存块，当处理器尝试访问这两个地址时，就需要处理缺失。为了减少等待时间，可以让读取缺失检查写入缓冲区。如果没有冲突，就从主内存中读取数据。如果有冲突，则从写入缓冲区读取数据。 2. 早期重启和关键字优先（Early restart and critical word first）：不等待整个缓存块全部加载到缓存中，一旦请求的字到达，就立即发送给CPU。同时，让CPU继续执行其他操作，而其他缓存块的数据还在填充中。 3. 使用额外级别的缓存（如L2、L3等）：通过增加缓存的层次，可以显著减少从主内存加载数据的需要，从而降低缺失惩罚。 通过上述措施，可以系统地针对缓存访问时间的各个组成部分进行优化。这些方法的选择和应用取决于具体的系统架构和性能需求。理解并应用这些策略，对于设计高效的计算机存储系统至关重要。