高档计算机系统中Cache性能分析_潘继强 (1)
Cache性能
AMATunified = 75% × (1 + 2.87% × 50) + 25% × (1 + 1 + 2.87% × 50) = 2.685
尽管分立Cache具有较高的缺失率，但其AMAT与统 具有较高的缺失率，但其 尽管分立 具有较高的缺失率 与统 是基本相同的， 一Cache的AMAT是基本相同的，可见哈佛结构有优势。 的 是基本相同的 可见哈佛结构有优势。 大多数现代处理器都采用分立Cache技术。 技术。 大多数现代处理器都采用分立 技术
《Computer Architecture》 计算机学院
本章内容>> Cache存储系统>>Cache性能>>提高Cache性能>>降低缺失代价
2 之 1
关键字优先和提前重 启动
思想 因为CPU在同一时刻只需要块中的一个字，所以本技术 在同一时刻只需要块中的一个字， 因为 在同一时刻只需要块中的一个字 不必等到全部块装入就可以将所需字送出， 不必等到全部块装入就可以将所需字送出，然后重新启动 CPU。 。 方法 关键字优先 首先向存储器请求缺失 的字， 的字，一旦它到了就将它 发送到CPU中；让CPU继 发送到 中 继 续执行， 续执行，同时装入块中的 其他字。 其他字。
本技术的收益取决于块的大小（ 本技术的收益取决于块的大小（块越 收益越大） 大，收益越大）和对块中未装入部分的访问 可能算机学院
本章内容>> Cache存储系统>>Cache性能>>提高Cache性能>>降低缺失代价
计算机组成原理中Cache性能优化
计算机组成原理中Cache性能优化在计算机组成原理中，Cache是一个非常重要的概念。
它是指CPU内部的一块高速缓存，用来存储CPU常用的数据和指令，其目的是为了加速对这些数据和指令的访问速度，提高计算机的整体性能。
然而，Cache的性能也会影响计算机的整体性能，因此，优化Cache的性能是计算机组成原理的一个重要方向。
Cache的性能优化的方法有很多种，下面我们就简单谈一谈其中的一些方法。
增加Cache的大小Cache的大小与访问速度直接相关。
一般来说，Cache大小越大，CPU访问Cache的速度就会越快。
因此，增加Cache的大小是一种有效的优化Cache性能的方法。
但是，增加Cache大小具有一定的限制，因为Cache的大小不仅会影响CPU的访问速度，还会影响CPU的成本和功耗。
因此，在增加Cache大小时，需要综合考虑各种因素，并做出合理的折衷。
使用高速Cache高速Cache是指访问速度更快的Cache。
普通的Cache通常有1级和2级。
而高速Cache主要包括3级和4级别的Cache。
相比普通的Cache，高速Cache能够更快的响应CPU的操作请求，从而提高计算机的整体性能。
使用高速Cache的方法也比较简单，只需要对Cache进行升级或者更换即可。
使用多级Cache使用多级Cache，是一个提高Cache性能的另一个有效方法。
多级Cache通常包括三层缓存：L1、L2和L3。
L1位于CPU内部，大小比较小，但速度非常快；L2位于CPU和内存之间，大小比L1大，速度比L1慢；L3位于主板上，大小比L2更大，速度比L2更慢。
多级Cache的优势在于，当L1 Cache大小有限时，数据和指令能够被传递到L2 Cache中，并在L3 Cache中更多地缓存。
这种方法能够减少L1 Cache的访问次数，从而提高CPU的性能。
使用硬件加速Cache硬件加速Cache是一种专为Cache设计的硬件，主要用于提高Cache的性能。
cache性能分析报告
《计算机系统结构课内实验》实验报告一、实验目的及要求1.加深对Cache的基本概念、基本组织结构以及基本工作原理的理解；2.了解Cache的容量、相联度、块大小对Cache性能的影响；3.掌握降低Cache失效率的各种方法，以及这些方法对Cache性能提高的好处;4.理解Cache失效的产生原因以及Cache的三种失效；5.理解LRU与随机法的基本思想，及它们对Cache性能的影响；二、实验环境Vmware 虚拟机，redhat 9。
0 linux 操作系统，SimpleScalar模拟器三、实验内容1.运行SimpleScalar模拟器;2.在基本配置情况下运行程序(请指明所选的测试程序），统计Cache总失效次数、三种不同种类的失效次数；3.改变Cache容量（*2,*4，＊8，＊64），运行程序(指明所选的测试程序），统计各种失效的次数,并分析Cache容量对Cache 性能的影响；4.改变Cache的相联度(1路，2路,4路，8路，64路），运行程序（指明所选的测试程序）,统计各种失效的次数，并分析相联度对Cache性能的影响；5.改变Cache块大小(＊2，＊4，＊8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache块大小对Cache性能的影响；6.分别采用LRU与随机法，在不同的Cache容量、不同的相联度下,运行程序（指明所选的测试程序）统计Cache总失效次数,计算失效率.分析不同的替换算法对Cache性能的影响。
四、实验步骤1、关于simplescalar的简要说明SimpleScalar包括多个仿真器：sim—fast ，sim－safe，sim-cache,sim-cheetah,sim-profile，sim—bpred，sim-eio和sim-outorder.本次实验使用的是sim-cache，下面说明一下sim—cache。
sim—cache：在这个仿真中加入了cache，用户可以对cache及TLB 进行设置,支持两级的cache和一级的TLB,第一级cache和TLB均分为数据和指令两部分。
Cache性能分析
Cache 性能分析一、性能分析1.不同容量下Cache 命中率：设置：选择不同的cache 容量，2k ，4k ，8k ，16k ，32k ，64k ，128k ，256k块大小：16k 相联度：直接相连 替换策略：LRU 预取策略：不预取 写策略：写回写不命中的调快策略：按写分配 文件：cc1.din表1 不同容量下Cache 命中率图1结论：在其他条件一定的情况下，随着cache 容量的增加，不命中率逐渐减小2.相联度对不命中率的影响：设置：Cache 容量：64K/256KB 块大小;16B 相联度设置：1，2，4， 8，16，32 替换策LRU 预取策略：不预取 写策略：写回 写不命中的调快策略：按写分配 文件：cc1.dinCache 容量为64KB 时：表2 当容量为64K 时的不命中率相联度 1 2 4 8 16 32不命中率（%）2.71 1.80 1.61 1.55 1.54 1.54Cache 容量为256KB 时：表3 当容量为256K 时的不命中率相联度 1 2 4 8 16 32不命中率（%）1.58 1.34 1.28 1.26 1.24 1.24 结论：Cache 的容量（KB ） 2 4 8 16 32 64 128 256不命中率（%）18.61 14.09 10.12 6.34 3.81 2.71 1.95 1.58图2结论：（1）当Cache容量一定时，随着相联度的不断增加，不命中率逐渐减小，但是当相联度增加到一定程度时，不命中率保持不变。
（2）当关联度相同时，Cache容量越大，不命中率越小，当关联度增加到一定程度时，不命中率和Cache容量大小无关。
3.Cache块大小对命中率的影响：设置：Cahce块大小(B)：16,32,64,128,256 Cache容量设置(KB)：2,8,32,128,512相联度：直接相联预取策略：不预取写策略：写回写不命中的调快策略：按写分配文件：eg.din表4 不同Cache行大小情况下Cache的不命中率块大小（B）Cache的容量（KB）2 8 32 128 51216 7.80% 7.40% 7.20% 7.20% 7.20%32 5.40% 5.00% 4.70% 4.70% 4.70%64 4.00% 3.40% 3.10% 3.10% 3.10%128 4.40% 3.30% 2.40% 2.40% 2.40%256 6.50% 5.10% 2.30% 1.90% 1.90%图3结论：（1）在Cache容量一定时，Cache 不命中率随着Cache行的增加先减小后增加。
Cache（高速缓存）技术详解
Cache（高速缓存）技术详解计算机系统一般都采用多级存储器结构，如寄存器、主存、磁盘、光盘、磁带等。
这种多级存储器的特点是从外存储器到CPU中的寄存器逐级向上，存储容量逐级减小，而存取速度逐级提高。
由于上下两级存储器的速度可以相差l—2个数量级或者更高，因此，上一级和下一级存储器的数据交换常常成为系统瓶颈，大大降低了系统的性能。
为了解决这个问题，通常采用的办法是在两级存储器之间增加一个高速缓冲存储器Cache。
所谓Cache是一个速度等于或者接近上一级存储器访问速度的小容量存储器，其中保存了下级存储器中部分当前所需的数据，因此CPU可以直接从Cache中取得所需的数据，而不必访问下一级存储器。
由于Cache的速度与上一级存储器相当，因此保证了系统效率不会降低。
Cache的设计依据是程序存取局部性原理，通常程序存取的一批数据总是存放在存储器相邻的单元中，只要把这一批数据同时调入cache中，即可保证近期内需要的数据都能在Caclle中访问成功。
为了实现上述目标，在设计Cache时必须做到以下两点：1．保证访问Cache有较高的命中率；2．访问Cache与访问下级存储器的方式不变、容量不减。
因此对于编程人员来说，Cache是完全透明的，也就是说，他们感觉不到Cache的存在。
由于Cache的容量比下级存储器小l-2个数量级、要做到上述两点，则必须考虑以下问题：1．如何组织Cache，使得下级存储器的每个部分都能够在需要时调入Cache2．采用何种替换策略、使得访问cache的命中率最高；3．采用什么方法使得Cache和下级存储器的数据具有—致性，即修改Cache后保证下级存储器的内容也随之修改(或者相反)。
通过上面的介绍，我们知道Cache也是一种存储器，其工作速度很高，如Ll和L2 Cache就是为了解决PU和DRAM主存之间的速度匹配而设置的。
因此主存Cache也可以看作是高速CPU和低速DRAM 之间的接口。
高性能计算机系统中Cache的性能分析及改进
包括 Ｃａｈ 设 计 的 基本 问题 ， ａｈ 性 能 分 析 ， ａｈ ｃｅ Ｃ ｃｅ Ｃ ｃｅ失 效原 因的 分析 以及 Ｃ ｃｅ设计 中一 些改 进 方 法 ａｈ
【 关键词】 ａｈ， ：Ｃ ｃｅ主存， ．Ｍ， 中率 Ｓ Ａ 命 Ｒ
Ｏ、 言 引
Ｃ Ｕ 时 间＝ Ｃ Ｕ执 行 时 钟 数＋ 存 等 待 时 钟数 ） 时 钟周 期 Ｐ （Ｐ 访 ｘ 在 现 代 微 型 计算 机 系统 中 ，Ｐ 的速 度 越 来 越 快 Ｃ Ｕ 主频 ＣＵ Ｐ 由 于 Ｃ ｃ ｅ 效 是 访 存 等 待 的 最 重 要 原 因 ．我 们 假设 访 存 ａｈ 失 的 提 升 会 带 动 系 统 性 能 的 改 善．但 系 统 性 能 的 提 高 不 仅 仅 取 决 等 待 都 是有 Ｃ ｃｅ失 效产 生 的 ． 简化 分 析 ａｈ 以 于 Ｃ Ｕ 还 与 系 统 架 构 、 令 结 构 、 息 在 各 个 部 件 之 间 的 传 送 Ｐ． 指 信 访 存 等 待 时 钟数 ＝ 存 储器 访 问数／ 序 ）失 效 率 Ｘ 效 损 失 （ 程 × 失
１ ０ ０年第 ７期
高性能计算机 系统 中 Ｃ ｃｅ的性能分 析及 改进 ａｈ
张
【 摘
静
（内蒙 古科 技 大 学 信 息 工 程 学 院 内蒙 古 包 头 ０ ４ １ １０ ０）
要 】 通过 高速缓冲存 储器技 术是现代处理 器设计中的核心技 术之一 。 ： 本文详细讨论 了 Ｃ ｃｅ 计中的重要 内容 ａｈ 设
～
在 执 行 的 指令 地 址 附 近 的 一部 分 指 令 或 数 据 从 主存 调入 这 个 存 对 某 存 储块 进行 第 一 次 访 问 时 ． 由于 该 块 不 在 Ｃ ｃ ｅ中 ． ａｈ 所 储 器。 Ｃ Ｕ在 一 段 时 间 内使 用 。 对 提 高 程 序 的 运 行速 度 有 很 以必 须 首先 将 存 储 块 取 到 Ｃ ｃ ｅ中 这 种 情 况 又被 称 为冷 启 失 供 Ｐ 这 ａｈ 大 的 作 用 。这 个 介 于 主存 和 Ｃ Ｕ之 问 的高 速 小 容 量 存储 器称 作 效 。 Ｐ 高 速缓 冲存 储 器 （ａｈ １ Ｃ ｃ ｅ。 （１ 量 失 效 ２容 Ｃ Ｕ 访 问 存 储 器 时 ，首 先 检 查 Ｃ ｃ ｅ Ｐ ａ ｈ ．如 果 访 问 的 数 据 在 如 果 Ｃ ｃ ｅ不 能 容 纳 某 ～ 程 序 执 行 过 程 中 的 所 有 存 储 块 ． ａｈ Ｃ ｃｅ中 ， Ｃ Ｕ就 能 很 快完 成 访 问 ． 种 情 况 称 之 命 中 。 中率 那 么 当 程序 又 需 使 用 某 一 曾在 Ｃ ｃｅ中 ．但 现 在 已 替换 出 的存 ａｈ 则 Ｐ 这 命 ａｈ 越 高， 确获 取数 据 的 可靠 性 就 越 大 。一 般 来 说 ，ａｈ 正 Ｃ ｃ ｅ的命 中率 储 块 时 ． 会 出现 容 量 失 效 。 就 决 定 于 Ｃ ｃｅ容量 、 ａｈ ａｈ Ｃ ｃｅ控制 算 法 和 Ｃ ｃ ｅ的结 构 。设 计 较 好 ａｈ （） ３冲突 失 效 的 Ｃ ｃｅ系 统 ， 中率 应 在 ９ ％以上 。至于 没 有 命 中的 数 据，Ｐ ａｈ 命 Ｏ ＣＵ 在 采 用 组相 联 或 直 接 映射 替 换 策 略 的 Ｃ ｃｅ中 ．许 多块 都 ａｈ 只 好 直 接 从 主 存 中获 取 ， 时 也 把 它 复 制 到 Ｃ ｃｅ中 ． 备 下 次 必 须 映 射到 Ｃ ｃ ｅ中 的 某 一 块 中 ．由 于 这 种 原 因使 得 当 程序 又 同 ａｈ 以 ａｈ 访 问。 需 要 使 用某 一 曾在 Ｃ ｃｅ中 ． 现 在 已被 替 换 出 的存 储 块 时 ， ａｈ 但 就 ２、 ｃ ｅ的 基 本 结 构 Ｃａ ｈ 会 出现 冲突 失 效 在 Ｃ ｃ ｅ系统 中． 存 和 Ｃ ｃｅ都 是 由 同 样 大 小 的 块 组 成 ａｈ 主 ａｈ 主 存 总 是 以块 为 单 位 映象 到 Ｃ ｃｅ中 ａｈ 每一 个 存 储 块 外 ａｈ Ｃ ｃｅ的 加 一 个 标 记 ， 当于 其 主存 中的 块 号 。 访 问 Ｃ ｃｅ时 ， 主 存 地 相 当 ａｈ 将 址 和 块 号 部 分 和 每一 个 标 记 同 时 进 行 比较 ．从 而 对 标 记 相 同 的 存 储 块 进 行 访 问 。Ｃ ｃ ｅ 三 种 基 本结 构 ： ａｈ 有 ｆ１ 接 映象 Ｃ ｃｅ 主存 的一 个 块 可 以映 象 到 Ｃ ｃｅ的 一 １直 ａｈ 。 ａｈ 个 位 置 。地 址 仅 需 比较 一 次 ， 因而 查 找速 度 快 ， 但命 中率 较 低 。 ｆ１ 相 联 Ｃ ｃｅ 主存 的一 个 块 可 以 映 象 到 Ｃ ｃｅ的 任 何 ２全 ａｈ 。 ａｈ 位 置 每 一 次 请 求 数 据 同 Ｃ ｃｅ中 的 地址 进 行 比较 需 要 相 当 长 ａｈ 的时 间 ． 以速 度 较 慢， 是命 中率 高 。 所 但 ｆ、 相 联 Ｃ ｃｅ 主存 的一 个 块 可 以 映 象 到 Ｃ ｃ ｅ的有 限 ３组 ａｈ 。 ａｈ 的 位 置 它 是 介 于全 相 联 Ｃ ｃｅ和 直 接 映 象 Ｃ ｃ ｅ之 问 的 一 种 ａｈ ａｈ 结 构 这 种类 型 的 Ｃ ｃｅ使 用 了几 组 直 接 映 象 的块 ， 于 某 一 个 ａｈ 对 给 定 主 存 块 ． Ｃ ｃ ｅ中 可 以允 许 有 几 个 块 位 置 ， 而 可 以增 加 在 ａｈ 因 命 中率 和 系 统 效率 。 全 相联 Ｃ ｃｅ中没 有 冲 突 失效 ．但增 加 相 联 度 在意 味 着 增 ａｈ 加 成本 ． 且 可 能延 长 访 问 时 间 ． 而 这样 就会 降低 处 理 器 的整 体 性 能 要 减 少 容 量失 效 ， 要 增 加 Ｃ ｃｅ的 容量 。上 层 存 储 器容 量 就 ａｈ 太小 ， 就会 频 繁产 生 抖 动 现 象 ． 意 昧 着 机 器将 以接 近低 级 存 储 这 器 的速 度 运 行 增 加 存储 块 的大 小 可 以减 小 突 发失 效 的数 目 ， 但
高档计算机系统中Cache性能分析
Ｃ ｍ ｕ ｎｗｅ ｅａｄＴｃ ｎｌ ｙ电脑 知 识 与技术 ｏ ｐ ￣ｒ ｏ ｌ ｎ ｅｈ ｏ ｇ Ｋ 内 ｏ
Ｖｏ ． ．２，Ａ ｇ ｓ ２ ． ］７ Ｎｏ ２ ｕ ｕ ｔ ０１ １
高档 计 算机 系统 中 Ｃ ｃ ｅ性 能分 析 ａｈ
潘继强
（ 西理 Ｔ学 院 汁 算 机科 学 与技 术系 ． 西 汉 中 ７ ３ ０ ） 陕 ： 陕 ２０ ０
速 度 的 提 高始 终 跟 不 上 Ｃ Ｕ 的发 展 ， Ｐ 据统 计 ， Ｐ 的速 度 平 均 每 年改 进 ６ ％ ， 组 成 主 存 的 动态 Ｒ Ｍ（ ＣＵ ０ Ａ 随机 存 储 器 ） 速度 平 均 每 年 只
改 进 ７ ， 果 是 Ｃ Ｕ和 主 仔 之 间 的 速 度 间 隙平 均 每 年 大 增 ５ ％。处 理 器 运 行 和 存 储 器访 问 的速 度 增 长 之 间 存 在 的差 距 越 来 越 大 ， ％ 结 Ｐ ０ 这 种 现 象 已经 成 为 影 响 计算 机 系统 性 能 最 主 要 的瓶 颈之 一 。假 设 一 台 计算 机 的 Ｃ Ｕ工 作 速 度很 快 ， 配 备 的 主存 访 问速 度 相 对 较 Ｐ 而 慢 ， 样 就 会造 成 Ｃ Ｕ 在 访 存 时 等待 ， 低 了 处理 器 的工 作 速 度 ． 而 影 响 计 算机 的整 体 性 能 。 这 Ｐ 降 进 解决 Ｃ Ｕ ＿ 主存 的速 度 差距 问 题在 于保持 Ｃ Ｕ的 能力 ， 高 主存 的 速度 。使用 硬 件技 术 提 高存 储 芯 片 的存 取速 度 是 一 个有效 的 Ｐ Ｉ ． ｊ Ｐ 提 手段 ， 可是 在慢 速 的 主存 和 快速 Ｃ Ｕ之 Ｉ 插 入一 个 容量 较 小 的高 速 存 储 器起 缓 冲 作用 （ Ｃ ｃ ｅ 术 ） Ｐ 开 Ｊ 即 ａｈ 技 也是 解 决 问题 的 一 个行 之有 效 的方 法 ， 得速 度 和成 本 之 间 的矛盾 得 到 较合 理 的解 决 。 自从 １ ８ 使 ９ ５年 Ｉｔ ８ ３ ６问世 以来 ， ｎｅ ０ ８ １ 在后 续 的微 处 理 器 中都 采用 了 Ｃ ｃ ｅ ａｈ 。
详述cache工作原理及其在计算机中的应用
详述cache工作原理及其在计算机中的应用一、概述Cache，即缓存，是一种广泛应用于计算机系统中的技术，主要用于提高数据访问的效率。
它通过存储数据副本，以便在后续请求时能够快速获取，从而减少访问时间，提高整体性能。
本篇文章将详细介绍Cache的工作原理，并探讨其在计算机中的应用。
二、Cache工作原理1.缓存对象：Cache存储的对象通常是数据库记录、文件、对象或网页等数据的一部分。
这些对象通常是频繁访问的，通过缓存这些对象，可以提高数据访问的效率。
2.缓存存储位置：Cache通常将缓存对象存储在靠近数据源的地方，例如服务器内存或磁盘上的特殊区域。
这种接近数据源的存储位置可以大大减少数据传输的时间，从而提高整体性能。
3.缓存替换策略：当Cache中存储的对象数量达到上限时，需要从缓存中移除一些对象以腾出空间。
常用的缓存替换策略有LRU （LeastRecentlyUsed）、FIFO（FirstInFirstOut）等。
4.数据一致性：当多个进程或线程同时访问同一个Cache时，需要保证数据的一致性。
通常需要通过一定的机制（如锁）来避免数据冲突。
5.缓存命中与未命中：当请求的数据在Cache中存在时，称为缓存命中；否则称为缓存未命中。
缓存命中时，数据可以直接从Cache 中获取，大大减少访问时间；而缓存未命中时，则需要从数据源获取数据，并将其存储在Cache中，以便后续访问。
1.网页浏览器：网页浏览器使用Cache来缓存网页内容，例如网页的HTML、图片、JavaScript等。
当用户再次访问同一个网页时，浏览器可以直接从Cache中获取数据，而不需要再次从网络上下载。
2.数据库系统：数据库系统使用Cache来缓存数据库记录和对象，以提高查询效率。
当查询涉及到的数据在Cache中存在时，可以直接从Cache中获取，减少查询时间。
3.文件系统：文件系统使用Cache来缓存文件内容，以提高文件读取和写入的效率。
高速缓冲存储器Cache
高速缓冲存储器cache10计科一班1010311110 韩家君高速缓冲存储器（Cache）其原始意义是指存取速度比一般随机存取记忆体（RAM）来得快的一种RAM，一般而言它不像系统主记忆体那样使用DRAM技术，而使用昂贵但较快速的SRAM技术，也有快取记忆体的名称。
它是位于CPU与内存之间的临时存储器，比主存储器体积小但速度快，用于保有从主存储器得到指令的副本——很可能在下一步为处理器所需——的专用缓冲器。
在Cache中的数据是内存中的一小部分，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用大量数据时，就可避开内存直接从Cache中调用，从而加快读取速度。
由此可见，在CPU中加入Cache是一种高效的解决方案，这样整个内存储器（Cache+内存）就变成了既有Cache的高速度，又有内存的大容量的存储系统了。
Cache对CPU的性能影响很大，主要是因为CPU的数据交换顺序和CPU与Ca che间的带宽引起的。
高速缓存的基本概念在计算机存储系统的层次结构中，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。
某些机器甚至有二级三级缓存，每级缓存比前一级缓存速度慢且容量大。
而这时，一开始的高速小容量存储器就被人称为一级缓存。
高速缓存的组成结构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。
主要由大部分组成：Cache存储体：存放由主存调入的指令与数据块。
地址转换部件：建立目录表以实现主存地址到缓存地址的转换。
替换部件：在缓存满时按一定策略进行数据块替换，并修改地址转换部件。
高速缓存的作用介绍在计算机技术发展过程中，主存储器存取速度一直比中央处理器操作速度慢得多，使中央处理器的高速处理能力不能充分发挥，整个计算机系统的工作效率受到影响。
计算机系统中cache作用
计算机系统中cache作用计算机系统中的缓存（cache）是一种用于提高计算机性能的重要技术。
它作为位于CPU（中央处理器）和内存之间的高速存储器，用于临时存储计算机系统中频繁使用的数据和指令。
通过将数据和指令提前加载到缓存中，计算机系统可以更快地访问这些数据，从而提高整体的运行速度和效率。
缓存的作用主要可以归结为以下几个方面。
1. 提高数据访问速度：缓存的设计初衷是为了弥补内存和CPU之间的速度差异。
内存的访问速度相对较慢，而CPU的处理速度很快。
通过缓存，计算机系统可以将经常访问的数据和指令存储在靠近CPU的地方，以便更快地获取和处理。
这样可以避免CPU等待内存的延迟，提高数据访问速度。
2. 减少能耗：相比于内存，缓存的容量相对较小，且位于CPU芯片上。
由于缓存距离CPU更近，数据的传输距离更短，因此能够减少功耗。
此外，由于缓存可以提高数据访问速度，CPU能够更快地完成任务并进入低功耗状态，从而进一步降低能耗。
3. 提高系统并发性：在多核处理器系统中，缓存可以提高系统的并发性。
每个核心都可以有自己的缓存，并独立地访问数据和指令。
这样，不同的核心可以并行地执行任务，而无需频繁地访问共享内存，从而减少了互斥操作带来的性能开销。
4. 降低外部内存访问开销：计算机系统的外部内存（如硬盘）与内存之间的速度差异更大。
通过使用缓存，可以减少对外部内存的访问次数，从而降低了外部内存访问的开销。
这对于需要频繁访问大量数据的应用程序来说尤为重要，如数据库系统、图形处理等。
5. 提高程序的局部性：程序的局部性是指程序在一段时间内对某些数据和指令的集中访问。
缓存可以利用程序的局部性特点，将这些数据和指令存储在缓存中，以便更快地访问。
这种局部性特点包括时间局部性（最近访问的数据很可能在短时间内再次访问）和空间局部性（与最近访问的数据在内存中相邻的数据很可能在短时间内再次访问）。
尽管缓存在提高计算机性能方面具有显著的优势，但也存在一些挑战和限制。
浅谈高速缓冲存储器
浅谈高速缓冲存储器缓冲存储器用在两个工作速度不同的硬件之间,在交换信息过程中起到缓冲作用。
它能提高计算机系统的工作效益。
下面主要谈谈两种高速缓冲存储器、它的作用及发展趋势。
一、高速缓冲存储器Cache 我们通常都认为计算机的速度是由CPU决定的,但是还要有其它的硬件或软件来充分发挥它的速度。
我们知道要使用的软件都要通过主存储器(内存)才能运行,而主存储器的运行速度和CPU之间有一个数量级的差距,这就限制了CPU速度潜力的发挥,为了弥补这个差距,人们在主存储器和CPU之间设置一种高速缓冲存储器Cache。
高速缓冲存储器Cache的运行速度高于主存储器数倍,与CPU速度差不多,容量较小。
高速缓冲存储器Cache中的数据是主存储器的副本,在程序运行中,当需要取指令或数据时,CPU先检查高速缓冲存储器Cache中是否有内容,若有就从Cache中取出,否则从主存储器取出,这样就充分发挥了CPU的潜力。
在486的机种中经常配备高速缓冲存储器Cache,与主存储器相比,它的工作性质是不同的。
简单地说,Cache是针对CPU作输入输出动作的,而主存储器是针对总线作输入输出动作的,因此Cache比主存储器的速度快。
现在486机型一般配置有256K的Cache,Cache并不是越大越好,一般有256K就足够了。
另外,如果机器本身没有配备硬件Cache,可以使用某些工具软件(如PC TOOLS,NORTON等)控制的Cache功能,也能达到同样的效果。
二、磁盘高速缓冲存储器SMARTDRV SMARTDRV.EXE是DOS 6.2中的外部设备驱动程序。
用此程序可启动或设置磁盘高速缓冲存储器。
与Cache不同,Cache是充分发挥了CPU的速度,而SMAR TDRV是加快了磁盘的读写速度。
在实际应用中,SMAR TDRV.EXT高速缓存驱动程序将记住每次应用程序使用磁盘的磁盘扇区数据,不用再访问磁盘驱动器,而是访问内存中已包含这些数据的区域。
计算机系统中不同组织方式的Cache性能分析
度 ， 此 全 相 联 方 式 适 合 容 量 小 的 Ｃ ｃｅ 由 于 主 存 地 址 除 去 ７位 块 因 ａｈ ． 内地 址 ， 余 为 标 记 字 段 ， 记 字 段 较 长 ， 要 容 量 较 大 的 Ｃ Ｍ． 剩 标 需 Ａ
Ｃ ｃ ｅ 大 小 、 ａｈ 的 组 织 方 式 、ａｈ 控 制 算 法 有关 ． ａｈ 的 Ｃ ｃｅ Ｃ ｃｅ的
２ Ｃａ ｈ ｃ ｅ的组 织 方 式
按 照 Ｃ ｃｅ 主存 之 间 的 映射 关 系 ， 存 有 ３种 组 织 方 式 ： ａｈ 和 主 ①
１ 主存 空间 ＭＢ
全 相 联 方 式 ， 存 中 的某 块 可 以放 人 Ｃ ｃｅ的 任 意 一 个 位 置 ； 直 接 主 ａｈ ②
１ Ｃ ｃ ｅ的命 中率 ａｈ
在 程 序 的执 行 过 程 中 ， 理 器 访 问存 储 器 中 的指 令 和 数 据 通 常 是 成 块 访 问 ， 一 长 段 时 间 内 ， 用 的 块 是 变 动 的 ， 在 一 处 在 使 而 小 段 时 间 内 ， 理 器 主要 访 问存 储 器 中 固定 的 块 。ｊ因 此 可 以 在 Ｃ ｃｅ中 存放 主存 的 部 分 副 本 ， Ｃ Ｕ访 问 主 存 时 ， 先 判 处 ． ａｈ 当 Ｐ 首
２ １ 全 相 联 方 式 ．
设 Ｃ ｃｅ为 ８Ｋ ， ａｈ Ｂ 每行 １８Ｂ， ６ ２ 共 ４行 ． 主存 １ＭＢ 共 ８Ｍ 块 ， ， 如
图 １ 示 ． 于 主存 的 行 和 Ｃ ｃ ｅ的块 之 间 没 有 算 法 约 定 ， ａ ｈ 所 由 ａｈ Ｃ ｃ ｅ的
行 除 了要 存 储 主 存 的块 内容 外 ， 要 将 对 应 块 的 ｌ 还 ３位 块 地 址 作 为 标 记 （ａ ） 储 起 来 ． ａｈ 有 １８Ｂ ６ ｔｇ 存 Ｃｃｅ ２ ４＝８Ｋ 用 来 存 储 标 记 字 段 的 Ｂ， 相 联 存 储 器 （ Ａ 的容 量 为 １ ｉ×６ ８ ２ｂｔ Ｃ Ｍ） ３ｂｔ ４＝ ３ ｉ ．
ahb协议中的cache功能
ahb协议中的cache功能
在AHB（高级高性能总线）协议中，cache功能是指处理器与系统中的高速缓存之间的交互。
高速缓存是一种用于存储最近使用的数据副本的内存，以便处理器可以更快地访问这些数据而不必每次都访问主存储器。
AHB协议定义了处理器和高速缓存之间的通信标准，以确保数据的一致性和有效性。
在AHB协议中，处理器通过发出读取和写入命令来访问高速缓存中的数据。
当处理器需要读取数据时，它会向高速缓存发出读取命令，并等待高速缓存的响应。
如果数据在高速缓存中可用，高速缓存将立即将数据返回给处理器，从而加快了数据访问速度。
如果数据不在高速缓存中，则高速缓存将向主存储器发出请求，并在数据返回后将其存储在高速缓存中，以备将来使用。
另外，在写操作中，处理器可以将数据写入高速缓存，并要求高速缓存将数据写回主存储器。
这确保了数据的一致性，因为所有对数据的更改都会被及时地更新到主存储器中，以便其他设备能够访问到最新的数据。
总的来说，AHB协议中的cache功能通过定义了处理器与高速
缓存之间的通信规范，使得处理器能够更高效地访问数据，并确保数据的一致性和有效性。
这对于系统性能和数据一致性至关重要。
高性能计算机系统中的存储性能优化技术综述
高性能计算机系统中的存储性能优化技术综述摘要：随着科技的不断发展，高性能计算机在各个领域的应用越来越广泛。
然而，高性能计算机系统中存储性能问题成为制约系统整体性能的主要瓶颈之一。
本文将综述目前高性能计算机系统中存储性能优化的关键技术，包括I/O调度技术、数据压缩技术、数据布局优化技术以及缓存技术等。
1. 引言高性能计算机的发展促进了许多科学和工程领域的创新。
然而，随着计算机系统规模的不断扩大和计算需求的日益增长，存储性能成为制约计算机系统整体性能的瓶颈之一。
因此，研究和优化高性能计算机系统中的存储性能至关重要。
2. I/O调度技术I/O调度技术是提高高性能计算机系统存储性能的关键技术之一。
它可以通过合理地调度数据读写请求，减少磁盘寻道时间和旋转延迟，优化磁盘I/O性能。
常见的I/O调度算法有CFQ、Anticipatory、Deadline等。
3. 数据压缩技术数据压缩技术是一种通过减少存储空间来提高存储性能的方法。
数据压缩技术可以通过减少数据的存储空间来提高数据的传输速率和存储容量。
常见的数据压缩算法有LZO、ZLIB等。
4. 数据布局优化技术数据布局优化技术是一种通过优化数据在存储介质上的布局方式来提高存储性能的方法。
通过合理的数据布局，可以减少存储介质的访问时间，提高数据的读取速度。
常见的数据布局优化技术有均衡分布、副本策略和数据条带化等。
5. 缓存技术缓存技术是一种通过缓存数据副本来减少对存储系统的访问次数和数据传输的技术。
常见的缓存技术有磁盘缓存、页面缓存和文件缓存等。
通过合理地使用缓存技术，可以提高数据的读取和写入性能。
6. 存储网络技术存储网络技术是一种通过高效的网络传输数据来提高存储性能的技术。
常见的存储网络技术有光纤通道网络、以太网和InfiniBand等。
通过使用高速存储网络技术，可以实现存储系统的高带宽和低延迟。
7. 存储介质技术存储介质技术是一种通过优化存储介质来提高存储性能的技术。
高性能计算机架构中的存储系统设计与性能评估
高性能计算机架构中的存储系统设计与性能评估随着科学技术的不断发展，高性能计算机在科学研究、工程仿真、数据分析等领域的应用越来越广泛。
而高性能计算机的架构中的存储系统对于整个系统性能的影响举足轻重。
本文将探讨高性能计算机架构中的存储系统设计与性能评估，以提高计算机的运算效率和数据传输速度。
在现代高性能计算机架构中，存储系统将耦合在计算节点附近，以降低数据传输延迟和提高处理器对数据的访问速度。
因此，在存储系统设计中，需要考虑以下几个关键因素。
首先，存储容量和数据访问速度是高性能计算机存储系统设计的核心。
由于计算机在处理大规模的数据集时，需要存储和读取大量的数据，因此存储系统的容量应足够大，以满足计算需求。
同时，存储系统的读写速度也需要具备高性能，以便减少数据访问的等待时间，提高计算机的运算效率。
其次，存储系统的可靠性和可扩展性也是设计考虑的重要因素。
在高性能计算机中，系统的稳定性和可靠性对于长时间运行的应用非常重要。
存储系统应具备故障检测和恢复机制，以及冗余存储设备，以防止数据丢失和系统崩溃。
另外，存储系统的能耗也是设计时需要考虑的问题。
高性能计算机通常需要大量的存储设备，因此存储系统的能耗成为一项重要的因素。
设计存储系统时，可以使用低功耗的存储设备，并且采用能量管理技术，以减少系统的能耗。
在设计完存储系统之后，性能评估是必不可少的环节。
性能评估可以通过一系列的实验和测试来完成。
首先，可以使用各种负载来模拟实际的应用场景，以评估存储系统在不同工作负载下的性能表现。
其次，可以通过测量存储系统的吞吐量、延迟和响应时间等指标来评估其性能。
最后，可以使用性能评估工具来分析存储系统的瓶颈，以优化系统的设计。
针对高性能计算机架构中的存储系统设计和性能评估，目前已经有许多研究和应用。
例如，一些研究团队提出了基于固态硬盘（SSD）或闪存的存储系统，以提高数据访问速度和吞吐量。
同时，一些研究者还提出了新的存储管理算法和调度策略，以提高存储系统的性能和可靠性。
高性能计算机系统中Cache的组织方式及性能分析
高性能计算机系统中!"#$%的组织方式及性能分析戴梅萼%清华大学计算机系，北京$"""&’(摘要：文章在对高性能计算机系统中的)*+,-结构研究基础上. 将)*+,-的三种组织方式作了分析和比较. 并对各自的优缺点和使用场合提出了重要见解。
关键词：)*+,-.组织方式. /0/1.全相联. 直接映象. 组相联&引言在高性能计算机系统中，)23的速度非常成访问. 这种情况称为)*+,-命中。
按照良好的组织方式，通常程序所用的大多数的数据都可以在)*+,-中找到，即大多数情况下命中快. 但是.普通存储器速度很慢，而高速的存储器又价格昂贵。
所以，为了提高程序的运行速度，还要想方设法从组织结构上使存储器的访问速度得到提高。
本文从区域性定律引入)*+,- 的组织结构，并结合例子对)*+,-的三种组织方式进行分析，在此基础上对各自的优缺点和使用场合提出意见。
)*+,-。
)*+,-的命中率决定于)*+,-的容量、)*+,-控制算法和)*+,-的组织方式，其中，组织方式最为重要。
使用组织得好的)*+,-系统，命中率可达到4"5。
在)*+,-系统中，主存总是以区块为单位映象到)*+,-。
在6!位微机中，通常用的区块长度为’字节，即一个双字。
)23访问)*+,-时，区域性定律和命中率由于软件对存储器的访问并不是任意的、随机的，而是有着明显的区域性。
也就是说，存在着一个区域性定律。
这表现在二方面：（$）时间区域性。
存储体中某一个数据被存取后，后来可能又被存取。
（!）空间区域性。
存储体中某个数据被存取了，附近的数据也很快被存取。
正是这个区域性定律导致了存储体设计的层次结构，即把存储体分成几层。
人们将最接近)23的层次称为最上层，当然，最上层是最小且最快的。
)*+,-就是最上层的存储体部分。
通常可以把正在执行的指令附近的一部分指令或数据从主存调入)*+,-，供)23在一段时间内使用，这样做，大大减少了)23访问容量较大、速度较慢的主存的次数，对提高存储器存取速度从而提高程序运行速度非常有效。
实验二-Cache性能分析
实验四 Cache性能分析实验目的1.加深对Cache的基本概念、基本组织结构以及基本工作原理的理解；2.掌握Cache容量、相联度、块大小对Cache性能的影响；3.掌握降低Cache不命中率的各种方法以及这些方法对提高Cache性能的好处；4.理解LRU与随机法的基本思想以及它们对Cache性能的影响。
实验平台Cache模拟器MyCache，《计算机系统结构实验教程》附书光盘中提供，清华大学出版社。
设计：张晨曦教授（），版权所有。
开发：程志强。
实验内容及步骤首先要掌握MyCache模拟器的使用方法。
（见节）Cache容量对失效率的影响1.启动MyCache。
2.用鼠标点击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。
3.选择一个地址流文件。
方法：选择“访问地址”下的“地址流文件”选项，然后点击“浏览”按钮，从本模拟器所在的文件夹下的“地址流”文件夹中选取。
4.选择不同的Cache容量，包括：2KB，4KB，8KB，16KB，32KB，64KB，128KB，256KB，分别执行模拟器（点击“执行到底”按钮），然后在表中记录各种情况下的失效率。
地址流文件名： C:\Documents and Settings\user\桌面\Cache性能分析\MyCache模拟器\地址流\5.根据该模拟结果，你能得出什么结论？Cache容量越大，失效率越低。
相联度对失效率的影响1.用鼠标点击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。
这时的Cache容量为64KB。
2.选择一个地址流文件。
方法：选择“访问地址”下的“地址流文件”选项，然后点击“浏览”按钮，从本模拟器所在的文件夹下的“地址流”文件夹中选取。
3.选择不同的Cache相联度，包括：直接映象，2路，4路，8路，16路，32路，分别执行模拟器（点击“执行到底”按钮），然后在表中记录各种情况下的失效率。
地址流文件名： C:\Documents and Settings\user\桌面\Cache性能分析\MyCache模拟器\地址流\4.把Cache的容量设置为256KB，重复上一步的工作。
Cache性能分析
第22卷第1期新乡教育学院学报2009年3月 V ol.22,N o.1JOURNA L OF XINXIANG E DUCATION COLLEGE M AR,2009 Cache性能分析Ξ程军锋(陇南师范高等专科学校,甘肃陇南742500)摘 要:随着计算机CPU的速度越来越快,计算机主存和CPU之间速度差异问题也日益突出,已经严重影响了计算机系统性能的提高。
现已有多种技术改进主存的存取速度来提高计算机系统性能,其中通过Cache提高存储系统速度是广泛采用的一种技术。
笔者主要介绍Cache的基本工作原理,同时也分析了引入Cache后计算机系统的性能,并介绍了一些改进Cache性能的方法。
关键词:高速缓冲存储器;命中率;加速比;失效;映射中图分类号:TP3 文献标识码:A 文章编号:1672Ο3325(2009)01Ο0111Ο03作者简介:程军锋(1980Ο),男,甘肃礼县人,助教。
研究方向:计算机基础理论教学。
计算机发展到现在,CPU主频的提升使得计算机系统性能有了极大地提高,但计算机系统性能提高不仅取决于CPU的性能,还与系统结构、指令系统、数据在各部件间的传送速度及存储部件的存取速度等因素有密切关系,特别是与CPU和主存之间的存取速度有着很大的关系。
如果CPU工作速度较快,而主存访问速度相对较慢,这样就会造成CPU 等待,浪费CPU的性能,降低处理器速度,进而影响计算机整体性能。
长期以来,计算机工作者一直研究解决主存与CPU的速度差异问题的方法,已有多种技术用来提高主存的访问速度,其中通过Cache(高速缓冲存储器)来提高存储系统速度就是一种有效的技术。
Cache是容量较小但速度快的半导体随机存储器,位于CPU和大容量主存之间,但存取速度比主存快得多。
它的作用是为CPU提供一个速度与之相当,而容量与主存相同的存储系统,以解决CPU和主存间速度不匹配的一项技术。
这种技术可在计算机系统成本增加很小的前提下,使计算机性能得到明显的提升。
谈高档计算机系统如何发挥作用
谈高档计算机系统如何发挥作用
王跃
【期刊名称】《福建电脑》
【年(卷),期】1994(000)001
【摘要】本文所指的“高档计算机系统”,主要指小型机以上的通用计算机系统,如IBM4000系列中型机、VAX系列小型机、HP系列小型机等。
这些计算机系统多在八十年代初、中期引入我国,曾经以它们快速的计算能力,充裕的外存储量、高速的外部设备等优势,在我国科研和生产领域里发挥过重要作用。
但是近年来,这些曾经在计算机机领域里叱咤风云的娇娇者。
【总页数】2页(P14-15)
【作者】王跃
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TP338.2
【相关文献】
1.高档计算机系统中Cache性能分析 [J], 潘继强
2.高档白酒的促销怎么做？——高档酒营销谈之一 [J], 梁咏;曾祥文;求诸子;赵斌;梁经理
3.高档酒的终端怎么做？——高档酒营销谈之二 [J], 无
4.山雨欲来的高档酒市场——五粮液大会期间和百年老店总经理韩经纬谈高档酒
[J], 梁咏
5.高档计算机系统中Cache性能分析 [J], 潘继强
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
微机中的高速缓冲存储器Cache
微机中的高速缓冲存储器Cache
王承业
【期刊名称】《《电子制作》》
【年(卷),期】2013(000)006
【摘要】目前计算机系统中的内存主要为集成度高、价格低的动态随机存储器,但由于其存储单元依赖于电容的充电电荷来存储信息,为了保持储存数据的正确必须反复对储存单元进行充电,所以存取速度难以提高,在半导体存储器中,双极型静态RAM的存取速度可与CPU速度处于同一数量级,但这种RAM价格较贵,功耗大,集成度低,要达到与动态RAM相同的容量时,其体积就比较大,也就不可能将存储器都采用静态RAM。
因此使用分级处理的方法来解决速度和容量的冲突,即在主存和CPU之间使用一个速度极快但容量相对小的缓存(Cache)。
【总页数】1页(P33-33)
【作者】王承业
【作者单位】江苏省灌云中等专业学校 222200
【正文语种】中文
【相关文献】
1.PC系统高速缓冲存储器Cache的原理、设计及实现 [J], 陆军
2.浅析高速缓冲存储器Cache在PC系统中的应用 [J], 谢青峰
3.计算机高速缓冲存储器(Cache)命中率的分析 [J], 席红旗
4.高速缓冲存储器Cache简介 [J], 王军
5.高速缓冲存储器Cache设计的关键技术分析 [J], 武杨
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
数据库与信息管理本栏目责任编辑：代影Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术第7卷第22期(2011年8月)高档计算机系统中Cache 性能分析潘继强（陕西理工学院计算机科学与技术系，陕西汉中723000）摘要：现代计算机体系结构中广泛采用Cache 来缓解处理器运行和存储器访问的速度增长之间的巨大差距，使得Cache 已经成为影响处理器性能、功耗、价值的重要因素之一。
文章根据Cache 基本工作原理和引入Cache 后计算机系统的性能分析，介绍了一些改进Cache 性能的方法。
关键词：高速缓存；命中率；局部性原理；静态随机存储器中图分类号：TP302文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2011)22-5285-02随着计算机技术的不断发展和进步，CPU(中央处理器)主频的不断提高对计算机系统性能的提升起到了极大的作用，但是作为一个完整的计算机系统，计算机系统性能的提高并不是仅取决于CPU 的主频，还与其他因素密切相关，例如，计算机系统结构、数据在各部件间的传送速度、存储部件的存取速度等，其中CPU 和主存之间的存取速度与计算机系统性能的提高有很大关系。
可是主存速度的提高始终跟不上CPU 的发展，据统计，CPU 的速度平均每年改进60%，而组成主存的动态RAM(随机存储器)速度平均每年只改进7%，结果是CPU 和主存之间的速度间隙平均每年大增50%。
处理器运行和存储器访问的速度增长之间存在的差距越来越大，这种现象己经成为影响计算机系统性能最主要的瓶颈之一。
假设一台计算机的CPU 工作速度很快，而配备的主存访问速度相对较慢，这样就会造成CPU 在访存时等待，降低了处理器的工作速度，进而影响计算机的整体性能。
解决CPU 与主存的速度差距问题在于保持CPU 的能力，提高主存的速度。
使用硬件技术提高存储芯片的存取速度是一个有效的手段，可是在慢速的主存和快速CPU 之间插入一个容量较小的高速存储器起缓冲作用（即Cache 技术）也是解决问题的一个行之有效的方法，使得速度和成本之间的矛盾得到较合理的解决。
自从1985年Intel80386问世以来，在后续的微处理器中都采用了Cache 。
1Cache 的工作原理在现代计算机系统中，高速缓存Cache 已经逐渐成为计算机不可缺少的一部分。
在计算机系统中设置Cache 是为了解决高速处理器和低速主存之间速度不匹配的问题，从而可以提高整机的性能。
因此要分析Cache 对计算机性能的影响，必须要了解其工作原理。
Cache 的工作原理是基于程序和数据访问的局部性。
任何程序或数据要为CPU 所使用，必须先放到主存中。
CPU 只与主存交换数据，所以主存的速度在很大程度上决定了系统的运行速度。
对大量典型程序运行情况的分析结果表明，程序运行期间，在一个较短的时间间隔内，由程序产生的内存访问地址往往集中在主存很小范围的地址空间内。
这一点不难理解。
指令地址本来就是连续分布的，再加上循环程序段和子程序段要多次重复执行。
因此，对这些地址中的内容的访问就自然具有时间上集中分布的倾向。
数据分布的这种集中倾向不如指令明显，但对数组的存储和访问以及内存变量的安排都使存储器地址相对集中。
这种在单位时间内对局部范围的存储器地址频繁访问，而对此范围以外的地址则访问甚少的现象，就称为程序访问的局部性。
由此可以想到，如果把在一段时间内、一定地址范围内被频繁访问的信息集合成批地从主存中读到一个能高速存取的小容量存储器中存放起来，供程序在这段时间内随时使用，从而减少或不再去访问速度较慢的主存，就可以加快程序的运行速度。
这就是Cache 的设计思想，在主存和CPU 之间设置一个小容量的高速存储器就是高速缓存Cache(其结构如图1所示)，通常由SRAM(静态随机存储器)构成。
它的存取速度比构成主存的动态RAM 要快的多，故CPU 在需要访问主存中的程序和数据时，就不必多次直接访问速度较慢的主存，而是从高速缓存中以更快的速度得到必要的程序和数据，从而可以缓解CPU 和主存速度不匹配的矛盾，进而提高计算机系统的性能。
但是SRAM 的价格比较昂贵，若干设置大容量的高速缓存，就会增加计算机的成本，故Cache 的容量一般相对主存来说都比较小。
在Cache 系统中，将主存和Cache 都分成若干同样大小的块，每块内又包含若干个字，主存总是以块为单位映射到Cache 中。
根据程序访问的局部性原理，在程序运行期间系统不断地将与当前访问块相关联的后继存储单元块从主存读入到Cache ，其实质就是把主存中的程序和数据分块复制到Cache 中，然后再和CPU 进行高速传送。
当CPU 需要访问主存时就会在地址总线上发出访存地址，首先通过主存—Cache 地址变换机构判定访存地址所对应的存储单元块是否已在Cache 中。
如果在Cache 中(称为Cache 命中)，则经地址变换机构将主存地址变换成Cache 地址去访问Cache 。
如果不在Cache 中(称为Cache 不命中)，此时就要把要访问的字直接从主存送往CPU ，同时把包括该字的主存块调入Cache 供CPU 使用。
当然Cache 的容量是有限的，如果此刻Cache 处于未被装满的状态，则可将新的主存块直接调入Cache 。
倘若Cache 原来已被装满，即已无法将新的主存块调入Cache 时，就得采用替换策略，从Cache 中换出一个旧块，并将新块替换进Cache 。
收稿日期：2011-05-28作者简介：潘继强（1978-），男，陕西汉中人，讲师，研究方向为计算机基础理论教学。
图1缓存—主存层次结构图E-mail:jslt@ Tel:+86-551-56909635690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.7,No.22,August 2011.5285本栏目责任编辑：代影数据库与信息管理Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术第7卷第22期(2011年8月)2Cache 的性能分析在计算机系统中设置Cache 的目的是为了解决CPU 和主存之间速度不匹配的矛盾，从而提高计算机的性能。
尽管引入Cache 后，使用SRAM 技术的Cache 访问速度与CPU 的速度相当，可以使系统的整体性能得到提高，但由于SRAM 的制作工艺比较复杂、制作成本比较较高，从计算机系统的性价比方面来考虑，不可能将所有主存都换成SRAM ，也不可能设置大容量的Cache 。
例如，80386的主存最大容量为4GB ，与其配套的Cache 容量为16KB 或者32KB 。
从CPU 性能方面考虑，增加Cache 系统的目的就是使Cache —主存系统的平均访问时间接近Cache 访问时间。
在Cache —主存系统中，平均访问时间t 可定义如下：t=h ·t c +(1－h)·t m其中h 表示命中率(数值上等于命中次数比上命中次数与未命中次数之和。
当Cache 不命中时，CPU 就需要访问主存，故未命中次数就等于访问主存的次数)，t c 表示命中Cache 时的访问时间，t m 表示未命中Cache 时访问主存的时间。
假设CPU 在执行某段程序时，共访问Cache 命中2000次，访问主存50次。
已知Cache 的存取周期为50ns ，主存的存取周期为200ns 。
则Cache 的命中率为：h=2000/(2000+50)=0.97于是可计算出Cache —主存系统的平均访问时间为：t=50ns ×0.97+2000ns ×(1-0.97)=54.5ns通过以上分析可以发现，在使用Cache 的计算机系统中，Cache —主存系统的平均访问时间非常接近于Cache 访问的时间，其数值远小于主存的存取周期，这说明增加Cache 之后，计算机系统的性能有了显著的提高。
同时也说明命中率h 是影响Cache —主存系统的平均访问时间的关键，因此提高命中率对改善Cache —主存系统的效率起着关键性的作用。
3Cache 的性能改进通过对Cache 性能分析，可知Cache 命中率是影响Cache —主存系统的平均访问时间的关键。
Cache 的命中率越高，发生不命中可能性就越小，从Cache 获取指令和数据的可能性就越大，平均访问时间也就越短，使处理器保持高效率运作，从而可以提高计算机整机性能。
通过对Cache 的基本原理的分析，Cache 不命中的原因有以下几个方面：1）当程序首次执行时，由于对应的主存块是第一次访问，故该块必然不在Cache 中，所以必须首先将主存块复制到Cache 中。
而且当CPU 顺序访问下一个主存块时依然会发生不命中，这个过程一直会持续到Cache 装满或程序全部调入Cache 为止。
此时发生不命中的次数和分块的大小有直接关系，块长越大，发生不命中的次数自然就越小。
2）若Cache 的容量太小，受此条件的限制，不可能在执行过程中将所需的指令和数据全部调入Cache ，于是程序执行期间可能会发生频繁的替换。
每当发生替换时，CPU 就要访问慢速的主存，而且发生替换的频率越高，越不利于CPU 性能的发挥。
3）采用替换策略时，由于主存的容量远大于Cache 的容量，故需替换入的主存块的个数大于Cache 可容纳的块数，在替换时极有可能会把下次访问的指令或数据替换出去，而且当块长越大，替换时传送的数据量也就越大，造成下次访问的不命中。
由于块长的增大，导致缓存中块数的减少，而新装入的块要覆盖旧块，很可能出现少数块刚刚装入就被覆盖，因此命中率反而下降。
影响Cache 性能的因素比较多，其中Cache 的容量与块长是影响Cache 效率的重要因素。
目前块长的最优值很难确定，一般每块取4至8个字或字节较好。
而在其他因素方面还有以下方法可以改进Cache 的性能。
1）增大Cache 容量，降低不命中率。
Cache 的命中率和容量有极大的关系，一般来说，Cache 的存储容量比主存容量小的多，大不能太小，太小会使命中率太低。
但是容量也没有必要太大，太大不仅会增加成本，而且当Cache 容量达到一定值后，命中率随容量的增家将不会有显著的提高，其关系如图2所示。
因此，Cache 的空间与主存空间在一定范围内应保持适当比例的映射关系，以保证Cache 有较高的命中率，并且系统成本不过大地增加。
一般情况下，可以使Cache 与主存的空间比为1:128。
2）通过Cache 的结构设计，减少不命中次数。
根据主存采用指令、数据分开存储的方案，在设计高速缓存的结构时，则相应的Cache 采用分立缓存。