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本科生毕业论文(设计)Cache(高速缓存)与主存一致性初探院系名称信息工程系姓名姓名学号2008341142专业计算机科学与技术专业指导教师导师教授2012年3月25日II摘要存储器是具有“记忆”功能的部件，它在计算机系统中占有十分重要的地位。存储器的基本功能是存放以二进制形式表示的程序与数据。如何设计容量大、速度快且造价低的存储器，一直是计算机发展中的关键问题，目前还没有哪一种存储器功能完全满足计算机系统对存储器的需求。因此，计算机系统通常配备分层结构的存储系统，以满足容量、速度和造价等方面的要求。衡量存储器有三个指标：容量、速度和价格/位。一般地说，速度高的存储器，每位价格也高，因此容量不能太大。所以存储器设计的约束有容量、速度和价格。容量似乎没有限制，不管容量多大，总要开发出应用程序来使用。为了获得更好的性能，存储器的速度必须能够跟上CPU，即当CPU执行指令时，不想让他停下来等待指令或操作数。价格问题也必须考虑，对于实用的系统，存储器的价格必须相对于其他部件是合理的。因此三个指标之间需要进行权衡。高速缓存系统中能否确保高速缓冲存储器和主存内容一致性，这个问题直接关系到整个计算机系统的性能。这两部分的数据一致性问题产生的原因有二：其一，由于CPU对高速缓冲存储器的写入导致它的内容更新而主存内容陈旧；其二，由于I/O处理机或多处理机系统中某一处理机修改了主存内容导致高速缓冲存储器内容陈旧。针对不同原因，分析了写策略中七种解决方案，并就高速缓存系统采用的第二级脱片高速缓冲存储器，以及第三级脱片高速缓冲存储器结构数据一致性问题进行初步探讨。本文通过对存储器系统Cache（高速缓存）与主存的概念进行描述和目前两者之间一致性存在的一些问题进行研究。并分析在多处理机系统中，主存与各处理机私有Cache之间及各私有Cache之间存在的数据不一致性。对解决不一致性的方法：监听总线协议、基于目录的Cache一致性协议、软件控制方法等进行详细的定性分析，并指出各种方法的优缺点，供设计者参考；同时提出软件和硬件相结合的方法，能有效解决Cache的一致性问题。关键词：存储器；主存；缓存；一致性IIIAbstractMemoryisamemoryfunctioncomponents,itinacomputersystemoccupiesaveryimportantposition.Thebasicfunctionofmemoryisstoredinbinaryformofsaidprogramsanddata.Howtodesigncapacity,speedisquickandlowcostofmemory,isalwaysthekeyproblemsinthedevelopmentofthecomputer,thereisnomemoryfunctionfullymeettheneedsofthememoryofacomputersystem.Therefore,thecomputersystemusuallyequippedwithalayeredstructureofstoragesystem,tosatisfythecapacity,speedandcostrequirements.Measurememoryhasthreeindex:capacity,speedandprice/a.Generallyspeaking,thehighspeedofmemory,everypriceishigh,thereforecapacitycannotbetoobig.Somemorydesignconstraintscapacity,speedandprice.Thereseemstobenolimitcapacity,nomatterhowmuchcapacity,thetotaltodevelopapplicationstouse.Inordertoobtainthebetterperformance,thespeedofthememorymustbeabletokeepupwiththeCPU,andthatiswhentheCPUexecutinginstructions,don'twanthimtostopandwaitforinstructionsoroperand.Thequestionofpricemustalsoconsider,forpracticalsystem,memorypricesrelativetootherpartsmustbeisreasonable.Sothethreeindexestoweighbetween.Cachesystemcanensurecachememoryandmainmemorycontentsconsistency,thedirectlyrelatedtotheentirecomputersystemperformance.Thetwopartsofthedataconsistencyissuesoftworeasons:first,becauseoftheCPUcachememorywriteledtoitscontentstoupdatethememoryandout-of-datecontents;Second,becauseofI/Oprocessorormulti-processorsystemsofaprocessormodifiedthemainmemorycontentsleadtocachecontentobsolete.Accordingtodifferentreasons,analyzesthestrategyofwrittensevenkindsofsolutions,andthecachesystemUSES2totakeoffthepieceofcache,andthethirdclasstotakeoffthepieceofcachestructuredataconsistencyproblemforapreliminarydiscussion.ThisarticlethroughtothememorysystemCache(Cache)andtheconceptofmainstoragedescribebetweenconsistencyandatpresenttherearesomeproblems.Andanalysisinmultiprocessorsystem,mainmemorywiththeprocessorCachebetweentheprivateandprivateCacheofinconsistencybetweendata.Tosolvetheinconsistencymethod:surveillancebusagreement,theCachedirectorybasedonconsistencyagreement,softwarecontrolmethodofdetailedqualitativeanalysis,andpointsouttheadvantagesanddisadvantagesofeachmethodfordesigners;SomesoftwareandhardwarethemethodofcombiningtheCachecaneffectivelyresolvetheconsistencyoftheproblem.KeyWords:Memory,Themainmemory,Cache,TheconsistencyIV目录1引言...................................................................12研究的背景和意义.........................................................22.1研究的背景...........................................................22.1.1主-辅存存储层次..................................................22.1.2CACHE-主存存储层次...............................................32.1.3存储器分层结构...................................................32.2研究的意义...........................................................53数据一致性问题的提出.....................................................74基于不同原因的写策略解决方案.............................................94.1基于原因1的解决办法.................................................94.1.1写直达...........................................................94.1.2写回发...........................................................94.2基于原因2的解决办法.................................................94.2.1总线监视法.......................................................94.2.2硬件监视法......................................................104.2.3划出不可高速缓存存储区法........................................104.2.4CACHE清除法.....................................................104.3基于原因3的解决办法................................................104.4基于目录的CACHE一致性协议..........................................105数据一致性问题的发展与展望..............................................136结束语..................................................................15参考文献..................................................................16致谢....................................................................1811引言高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器，由静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多，接近于CPU的速度。在计算机存储系统的层次结构中，是介于中央处理器和主存储器之间的高速小容量存储器。它和主存储器一起构成一级的存储器。高速缓冲存储器和主存储器之间信息的调度和传送是由硬件自动进行的。高速缓冲存储器的容量一般只有主存储器的几百分之一，但它的存取速度能与中央处理器相匹配。根据程序局部性原理，正在使用的主存储器某一单元邻近的那些单元将被用到的可能性很大。因而，当中央处理器存取主存储器某一单元时，计算机硬件就自动地将包括该单元在内的那一组单元内容调入高速缓冲存储器，中央