cache是什么存储器？

cache叫做高速缓冲存储器，是介于中央处理器和主存储器之间的高速小容量存储器，一般由高速SRAM构成；这种局部存储器是面向CPU的，引入它是为减小或消除CPU与内存之间的速度差异对系统性能带来的影响。Cache容量小但速度快，内存速度较低但容量大，通过优化调度算法，系统的性能会大大改善。

本教程操作环境：windows7系统、Dell G3电脑。

cache是什么存储器

Cache存储器：电脑中为高速缓冲存储器，是位于CPU和主存储器DRAM（Dynamic Random Access Memory）之间，规模较小，但速度很高的存储器，通常由SRAM（Static Random Access Memory静态存储器）组成。

如图3.28所示，cache是介于CPU和主存M2之间的小容量存储器，但存取速度比主存快，容量远小于主存。cache 能高速地向CPU提供指令和数据，从而加快了程序的执行速度。从功能上看，它是主存的缓冲存储器，由高速的SRAM组成。为追求高速，包括管理在内的全部功能由硬件实现，因而对程序员是透明的。

当前，随着半导体器件集成度的进步提高，可以将小容量的 cache与CPU 集成到同一芯片中，其工作速度接近于CPU的速度，从而组成两级以上的cache系统。

cache的功能

Cache的功能是提高CPU数据输入输出的速率。Cache容量小但速度快，内存速度较低但容量大，通过优化调度算法，系统的性能会大大改善，仿佛其存储系统容量与内存相当而访问速度近似Cache。

CPU的速度远高于内存，当CPU直接从内存中存取数据时要等待一定时间周期，而Cache则可以保存CPU刚用过或循环使用的一部分数据，如果CPU需要再次使用该部分数据时可从Cache中直接调用，这样就避免了重复存取数据，减少了CPU的等待时间，因而提高了系统的效率。Cache又分为L1Cache（一级缓存）和L2Cache（二级缓存），L1Cache主要是集成在CPU内部，而L2Cache集成在主板上或是CPU上。

cache的基本原理

      cache除包含SRAM外，还要有控制逻辑。若cache在CPU芯片外，它的控制逻辑一般与主存控制逻辑合成在一起，称为主存/chace控制器;若cache在CPU内，则由CPU提供它的控制逻辑。

       CPU与cache之间的数据交换是以字为单位，而cache与主存之间的数据交换是以块为单位。一个块由若干字组成，是定长的。当CPU读取内存中一个字时，便发出此字的内存地址到cache和主存。此时cache控制逻辑依据地址判断此字当前是否在cache中:若是,则cache命中,此字立即传送给CPU;若非,则cache缺失(未命中),用主存读周期把此字从主存读出送到CPU，与此同时，把含有这个字的整个数据块从主存读出送到cache中。

图3.29示出了cache的原理图。假设cache读出时间为50ns，主存读出时间为250ns。存储系统是模块化的，主存中每个8K模块和容量16字的cache相联系。cache分为4行,每行4个字(W)。分配给cache的地址存放在一个相联存储器CAM中，它是按内容寻址的存储器。当CPU执行访存指令时，就把所要访问的字的地址送到CAM；如果W不在cache中，则将W从主存传送到CPU。与此同时，把包含W的由前后相继的4个字所组成的一行数据送入cache，替换原来cache中的一行数据。在这里，由始终管理cache使用情况的硬件逻辑电路来实现替换算法。

cache的命中率

从CPU来看，增加cache的目的，就是在性能上使主存的平均读出时间尽可能接近cache的读出时间。为了达到这个目的，在所有的存储器访问中由cache满足CPU需要的部分应占很高的比例，即cache的命中率应接近于1。由于程序访问的局部性，实现这个目标是可能的。

在一个程序执行期间，设Nc表示cache完成存取的总次数，Nₘ表示主存完成存取的总次数，h定义为命中率，则有h=Nc/(Nc＋Nₘ)

若tc表示命中时的cache访问时间，tₘ表示未命中时的主存访问时间，1-h表示未命中率(缺失率)，则cache/主存系统的平均访问时间tₐ为

tₐ=htc+(1−h)tₘ

我们追求的目标是，以较小的硬件代价使cache/主存系统的平均访问时间tₐ越接近 tc越好。设 r=tₘ/tc表示主存与cache的访问时间之比，e表示访问效率，则有

e=tc/ta=tc/(htc+(1−h)tm)=1/(h+(1−h)r)=1/(r+(1−r)h)

由此式看出，为提高访问效率，命中率h越接近1越好。r值以5~10为宜，不宜太大。

命中率h与程序的行为、cache的容量、组织方式、块的大小有关。

cache结构设计必须解决的问题

从cache的基本工作原理可以看出， cache的设计需要遵循两个原则：一是希望cache的命中率尽可能高，实际应接近于1；二是希望cache对CPU而言是透明的，即不论是否有cache， CPU访存的方法都是一样的，软件不需增加任何指令就可以访问cache。解决了命中率和透明性问题，就CPU访存的角度而言，内存将具有主存的容量和接近cache的速度。为此，必须增加一定的硬件电路完成控制功能，即cache控制器。

在设计cache结构时，必须解决几个问题：①主存的内容调入cache时如何存放?②访存时如何找到cache中的信息?③当cache空间不足时如何替换cache中已有的内容?④需要写操作时如何改写cache的内容?

其中，前两个问题是相互关联的，即如何将主存信息定位在cache中，如何将主存地址变换为cache地址。与主存容量相比， cache的容量很小，它保存的内容只是主存内容的一个子集，且cache与主存的数据交换是以块为单位。为了把主存块放到cache中，必须应用某种方法把主存地址定位到cache中，称为地址映射。“映射”一词的物理含义是确定位置的对应关系，并用硬件来实现。这样当CPU访问存储器时，它所给出的一个字的内存地址会自动变换成cache的地址，即cache地址变换。

cache替换问题主要是选择和执行替换算法，以便在cache不命中时替换cache中的内容。最后一个问题涉及cache的写操作策略，重点是在更新时保持主存与cache的一致性。

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