【计算机系统】存储器层次结构

（一）存储器层次结构

存储器的中心思想：K层的更快、更小的存储设备是K+1层更慢、更大的存储设备的高速缓存。

（二）缓存

（1）两个概念

• 高速缓存：第k层是k+1层的高速缓存
• 缓存：是一个过程，使用高速缓存的过程。

（2）缓存原理

（三）缓存命中

当程序需要某个数据块data时，先在本层K层进行查找，若在K层找到data数据块，就说明缓存命中。

（四）缓存不命中

当程序需要的数据块data在k层未找到，即缓存不命中。当发生缓存不命中时，第K层的缓存从K+1层取出包含data的数据块，若K层缓存已满，则将会覆盖一个现存的块（缓存策略：决定覆盖哪个块）。

（五）缓存策略

缓存策略：决定覆盖哪个块。

（1）调用缓存策略条件

• （1）发生缓存不命中
• （2）该层缓存已满

覆盖一个现存块的过程叫做替换或者驱逐这个块（牺牲块）。

（2）缓存策略

• 随机替换策略：随机选择一个块进行替换
• LRU：一个具有最近最少使用的块进行替换

  （六）缓存不命中的类型

  （1）冷缓存

  该层存储设备上的数据块为空
  

（2）冲突不命中

这种缓存不命中的结果是使用了取模的放置策略导致的。

取模的放置策略：

解释：当K层要使用0时，K层的发生缓存不命中，此时要去k+1层取0数据块，根据取模放置策略，将0数据块覆盖在8数据块上。若是在K层访问8号数据块，此时发生缓存不命中，此时去k+1层上去取8数据块，根据取模放置策略，将8数据块覆盖0数据块。如此的反复下去，每次缓存都会发生不命中。这就是冲突不命中类型。

（3）容量不命中

例如：一个循环来访问同一个数组中的所有元素。这个块的集合称为工作集。当工作集超过缓存大小时，缓存会发生容量不命中。

（七）缓存管理

（软件和硬件）将各个缓存设备划分成块、在不同层次间传送块、判断是否缓存命中并处理他们。