Was ist die Grundlage für die Verwendung von Cache zur Verbesserung der Systemleistung?

Die Grundlage für die Verwendung des Caches zur Verbesserung der Systemleistung ist das Prinzip der Programmlokalität. Wenn die CPU Daten lesen muss, durchsucht sie zunächst den Cache, um festzustellen, ob der erforderliche Inhalt vorhanden ist. Wenn ja, liest sie ihn direkt aus dem Cache. Wenn der Großteil des Inhalts, auf den die CPU zugreifen muss, im Cache zu finden ist (Zugriffstreffer genannt), kann die Systemleistung erheblich verbessert werden.

Die Betriebsumgebung dieses Tutorials: Windows 7-System, Dell G3-Computer.

Die Grundlage für die Verwendung des Caches zur Verbesserung der Systemleistung ist das Prinzip der Programmlokalität. Basierend auf dem Lokalitätsprinzip werden Inhalte mit hoher Zugriffswahrscheinlichkeit im Hauptspeicher im Cache gespeichert. Wenn die CPU Daten lesen muss, durchsucht sie zunächst den Cache, um festzustellen, ob der erforderliche Inhalt vorhanden ist. Wenn nicht, liest sie die Daten aus dem Hauptspeicher und sendet sie dann an den CPU und Cache gleichzeitig. Wenn der Großteil des Inhalts, auf den die CPU zugreifen muss, im Cache zu finden ist (Zugriffstreffer genannt), kann die Systemleistung erheblich verbessert werden.

Der durchschnittliche Speicherzyklus des Systems hängt eng mit der Trefferquote zusammen. Selbst eine kleine Erhöhung der Trefferquote kann eine große Leistungsverbesserung bewirken.

Nachdem die CPU eine Speicherzugriffsanforderung ausgegeben hat, wird zunächst die Speicheradresse an den Cache-Controller gesendet, um festzustellen, ob sich die erforderlichen Daten bereits im Cache befinden. Bei einem Treffer wird direkt auf den Cache zugegriffen. Dieser Vorgang wird als Cache-Adresszuordnung bezeichnet. Zu den gängigen Zuordnungsmethoden gehören die direkte Zuordnung, die assoziative Zuordnung und die gruppenassoziative Zuordnung.

Nachdem ein Zugriffsfehler im Cache-Speicher auftritt, sollten die entsprechenden Daten gleichzeitig in die CPU und den Cache eingelesen werden. Nachdem der Cache jedoch mit Daten gefüllt ist, müssen neue Daten einige alte Daten im Cache löschen. Die am häufigsten verwendeten Eliminierungsalgorithmen sind Zufallseliminierung, First-In-First-Out (FIFO) und LRU (Least-Recent-Used Elimination).

Da sichergestellt werden muss, dass die im Cache zwischengespeicherten Daten mit dem Inhalt im Hauptspeicher übereinstimmen, ist der Schreibvorgang des Caches im Vergleich zum Lesevorgang komplizierter. Die folgenden Methoden werden häufig verwendet:

(1) direkt schreiben (durchschreiben). Beim Schreiben in den Cache werden die Daten gleichzeitig in den Hauptspeicher zurückgeschrieben, manchmal auch Write-Through genannt.

(2) Schreiben Sie zurück. Nachdem die CPU eine bestimmte Zeile im Cache geändert hat, werden die entsprechenden Daten nicht sofort in die Hauptspeichereinheit geschrieben. Stattdessen werden die Daten in den Hauptspeicher zurückgeschrieben, wenn die Zeile aus dem Cache entfernt wird.

(3) Notation. Legen Sie für alle Daten im Cache ein gültiges Bit fest. Wenn die Daten in den Cache gelangen, wird das gültige Bit auf 1 gesetzt. Wenn die CPU die Daten ändern möchte, muss sie sie nur in den Hauptspeicher schreiben und gleichzeitig das gültige Bit auf 0 löschen. Wenn Sie Daten aus dem Cache lesen möchten, müssen Sie dessen gültiges Bit testen: Wenn es 1 ist, holen Sie die Zahl direkt aus dem Cache, andernfalls holen Sie die Zahl aus dem Hauptspeicher.

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