Cache基础知识介绍

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cache介绍

cache介绍前⾯已多次提到了Cache，这可是⼀个讨⼈喜欢的东西，您有必要详细了解它的作⽤与原理。

Cache是介于CPU与主内存之间、或者主内存与磁盘之间的⾼速缓冲器，其作⽤是解决系统中数据读写速度不匹配的问题。

其中介于CPU与主内存之间的缓冲器⼜称为RAM Cache，⽽介于主内存与磁盘驱动器之间的缓冲器则称之为Disk Cache，这⾥要讨论的是前者，也就通常简称的Cache。

那么，Cache是怎样⼯作的呢？您⼀定明⽩CPU的运算速度⽐主内存的读写速度要快得多，这就使得CPU在访问内存时要花很长的等待时间，从⽽造成系统整体性能的下降。

为了解决这种速度不匹配的问题，需要在CPU与主内存之间加⼊⽐主内存更快的SRAM（Static Ram，静态存储器）。

SRAM储存了主内存中的数据(专业术语称为“映象”)，使CPU可以直接通过访问SRAM来读写数据。

由于SRAM的速度与CPU的速度相当，因⽽⼤⼤缩短了数据读写的等待时间，系统的整体速度也就得到了提⾼。

既然SRAM那么快，为什么不⽤来作为主内存呢？这是因为SRAM采⽤了与CPU相类似的半导体制造⼯艺，成本极⾼，只有在那些只关⼼性能不考虑价格的场合才会这样做。

这也就使得Cache粉墨登场了，它能将CPU⽤过的数据，以及结果保存起来，让CPU下次处理时先来访问Cache，如果没有可⽤的数据再去别处找，以此来提⾼运⾏速度。

Cache由标记存储器和数据存储器两个基本部分组成。

标记存储器是⽤来储存Cache的控制位与块地址标签，控制位⽤于管理Cache的读写操作，⽽块地址标签则记录着Cache中各块的地址。

这个地址包含了与主内存映射的块地址，并且都与Cache中的⼀块“数据”相对应。

⽽这块“数据”正是贮存于Cache的数据存储器中。

当CPU读取数据时，先通过地址总线把物理地址送到Cache中，与Cache中的块地址标签进⾏对⽐。

若相符合，则表⽰此数据已经存在于Cache中（此情况被戏称为“命中”），这时只需把Cache中的对应数据经由数据总线直接传送给CPU即可。

cache基础知识

cache基础知识Cache是计算机系统中的一种高速缓存存储器，用于暂时存储计算机内部或外部存储器中的数据，以提高数据访问速度。

在计算机系统中，数据的读写通常需要经过多级存储结构，从而导致访问速度的下降。

而Cache作为位于CPU和主存之间的一级缓存，通过预先将部分数据复制到高速缓存中，可以大大提高数据的访问速度。

我们需要了解Cache的基本原理。

Cache的设计基于局部性原理，即计算机程序在执行过程中，往往会频繁访问相邻位置的数据。

因此，Cache通过采用较小但更快的存储器来存储最近被访问的数据，以便CPU在需要时能够快速获取数据，而不必每次都去主存中读取。

Cache的存储结构通常由多个Cache块组成，每个块可以存储一个或多个数据项。

每个Cache块都有一个唯一的标识符，用于标识该块存储的数据。

当CPU需要读取数据时，首先会在Cache中查找该数据是否已经存在。

如果存在，即命中Cache，CPU可以直接从Cache中读取数据，无需访问主存；如果不存在，即未命中Cache，CPU则需要从主存中读取数据，并将数据复制到Cache中，以便下次快速访问。

为了提高Cache的命中率，Cache通常采用一些替换策略来决定哪些数据应该被替换出去。

常见的替换策略有最近最少使用（LRU）和随机替换法。

LRU替换策略根据数据的访问历史来决定替换哪些数据，即最近最少使用的数据被替换出去；而随机替换法则是随机选择一个数据进行替换。

Cache还通常采用写回和写直达两种策略来处理写操作。

写回策略是指当CPU对Cache中的数据进行修改时，不立即将数据写回主存，而是将修改标记为"脏"，并在未来某个时刻再将"脏"数据写回主存；而写直达策略则是指当CPU对Cache中的数据进行修改时，立即将数据写回主存。

写回策略可以减少对主存的写操作，提高写操作的效率，但可能会导致数据一致性问题。

在实际应用中，Cache的大小和映射方式是设计Cache的两个重要因素。

cache相关概念及工作原理介绍

cache相关概念及工作原理介绍【原创版】目录一、Cache 的概念二、Cache 的作用三、Cache 的工作原理四、Cache 的类型与结构五、Cache 的应用场景正文一、Cache 的概念Cache，即高速缓存，是一种存储技术，它位于主存与 CPU 之间，作用是提高 CPU 访问存储器的速度。

Cache 可以看作是主存的一个高速副本，它将主存中频繁访问的数据复制到自身，当 CPU 需要再次访问这些数据时，可以直接从Cache 中获取，从而减少了 CPU 与主存之间的访问延迟。

二、Cache 的作用Cache 的主要作用是提高 CPU 的运行效率。

随着 CPU 处理速度的提升，主存的访问速度逐渐成为系统性能的瓶颈。

通过使用 Cache，可以减少 CPU 等待主存读写完成的时间，从而提高 CPU 的执行效率。

三、Cache 的工作原理Cache 的工作原理主要包括两个方面：一是缓存策略，即如何判断哪些数据需要被缓存；二是替换策略，即当 Cache 空间不足时，如何选择淘汰哪些缓存数据。

1.缓存策略缓存策略主要根据程序的访问模式来判断。

一般来说，缓存策略可以分为以下三种：- 时域局部性（Temporal Locality）：程序在一段时间内多次访问相同的数据。

这种局部性可以通过缓存来提高访问速度。

- 空间局部性（Spatial Locality）：程序在访问一个数据时，很可能还会访问其附近的数据。

这种局部性可以通过缓存来提高访问速度。

- 随机访问（Random Access）：程序访问的数据与缓存中存储的数据无关，这种访问模式无法通过缓存来提高访问速度。

2.替换策略当 Cache 空间不足时，需要选择一些缓存数据进行替换。

替换策略主要有以下几种：- 最近最少使用（Least Recently Used，LRU）：选择最近最少使用的数据进行替换。

- 时间戳（Timestamp）：记录每个数据在 Cache 中的时间，选择最早进入Cache 的数据进行替换。

cache相关知识点

缓存相关知识点缓存是一个常见的计算机概念，用于提高系统的性能和响应速度。

在计算机领域中，缓存是指存储数据的临时存储区域，用于加快数据的访问速度。

通过缓存，系统可以避免频繁地从较慢的存储区域（如硬盘）中读取数据，从而显著提高系统的性能。

在本文中，我们将深入探讨缓存的相关知识点。

1.什么是缓存？缓存是一种将数据存储在更快速、更容易访问的存储区域中的技术。

它可以是硬件缓存（如CPU缓存）或软件缓存（如Web浏览器缓存）。

缓存的目的是通过减少数据的访问时间来提高系统的性能。

2.缓存的工作原理当系统需要访问数据时，首先会检查缓存中是否已经存在该数据。

如果数据已经在缓存中，系统可以直接从缓存中获取数据，而不需要从较慢的存储区域中读取。

如果数据不在缓存中，系统将从存储区域中读取数据，并将其存储到缓存中以供以后使用。

3.缓存的类型根据存储介质的不同，缓存可以分为多种类型。

常见的缓存类型包括：•CPU缓存：CPU缓存是位于处理器芯片上的一块高速存储器，用于存储最常用的指令和数据。

它可以显著提高CPU的性能。

•硬盘缓存：硬盘缓存是位于硬盘驱动器内部的一块存储区域，用于存储最近访问的数据。

它可以加快读写硬盘的速度。

•Web浏览器缓存：Web浏览器缓存是位于Web浏览器中的一块存储区域，用于存储最近访问的网页和相关资源。

它可以减少网页加载的时间。

4.缓存的优势和劣势缓存的使用可以带来许多优势，包括：•提高系统的性能和响应速度。

•减少对较慢的存储区域（如硬盘）的访问次数，从而延长存储设备的寿命。

•减少网络带宽的使用，提高网络传输的效率。

然而，缓存也存在一些劣势，如：•缓存的数据可能会过时，导致访问到的数据不是最新的。

•缓存需要占用一定的存储空间，可能会导致浪费。

•缓存的管理和更新可能会增加系统的复杂性。

5.如何有效使用缓存为了有效使用缓存，我们可以采取以下措施：•设定合理的缓存策略，如缓存数据的过期时间和更新机制。

•使用合适的缓存算法，如LRU（最近最少使用）算法，以确保缓存中的数据是最常用的数据。

Cache基础知识介绍

• 两极cache相比较而言，L1 cache的容量小，但数据存取速度较快，L2 cache的容量大，但数据存取速度较慢。部分系统中也存在三级cache的结构。
Microprocessor
Fastest
CPU
Level 1 cache
Fast
Level 2 cache
Slow
memory
Cache的作用是什么
• 通过优化代码提高cache命中率
对数组int x[1024][4]进行求和代码段A for(i=0;i<1024;i++) for(j=0;j<4;j++) sum += x[i][j]
Entry 0 Way 0 x[i][0] x[i][1]
代码段B for(j=0;j<4;j++) for(i=0;i<1024;i++) sum += x[i][j]
• 块:块是cache与主存的传输单位。 • 路（way）: 路是组相联映射方式的cache结构中的基本存储单位，每一路存储一个块的数据。 • 组（entry）:组是组相联映射方式的cache对块进行管理的单位。 • 区（tag） :块的地址对应的主存储器中的区。 • 块内偏移地址（offset）: 用来标示块内一个字节的地址。 • 组相联映射方式下主存储器的地址空间由，区，组和块内偏移地址组成。
什么是cache
• Cache又叫高速缓冲存储器，位于CPU与内存之间，是一种特殊的存储器子系统。 • 目前比较常见的是两极cache结构，即cache系统由一级高速缓存L1 cache和二级高速缓存L2 cache组成，L1 cache通常又分为数据cache（I-Cache）和指令cache（D-Cache），它们分别用来存放数据和执行这些数据的指令。

cache的使用

cache的使用摘要：1.Cache 的概念和作用2.Cache 的常见类型3.Cache 的命中率4.Cache 的替换策略5.Cache 在实际应用中的优势和挑战正文：Cache 的使用在计算机系统中扮演着至关重要的角色，它能够有效地提高数据访问速度和系统性能。

本文将详细介绍Cache 的概念、作用、常见类型、命中率、替换策略以及在实际应用中的优势和挑战。

1.Cache 的概念和作用Cache 是一种高速、小容量的临时存储器，位于CPU 和主存储器之间。

其作用是存储近期访问的数据和指令，以便快速响应CPU 的请求。

通过使用Cache，可以减少CPU 与主存储器之间的访问延迟，提高数据传输速度。

2.Cache 的常见类型根据存储介质和存储方式的不同，Cache 可以分为多种类型，如L1 Cache（一级缓存）、L2 Cache（二级缓存）、内存Cache（又称虚拟Cache）等。

这些Cache 各自负责存储不同层次的数据，共同构成了多层次的Cache 体系。

3.Cache 的命中率Cache 的命中率是指CPU 从Cache 中读取指令或数据的次数与CPU 从主存储器中读取指令或数据的次数之比。

较高的命中率意味着Cache 能够有效地减少CPU 与主存储器之间的访问次数，从而提高系统性能。

4.Cache 的替换策略由于Cache 的容量有限，当存储空间不足时，需要采取一定的替换策略来腾出空间。

常见的替换策略有FIFO（先进先出）、LRU（最近最少使用）、RAND（随机替换）等。

选择合适的替换策略能够最大限度地减少因替换操作带来的性能损失。

5.Cache 在实际应用中的优势和挑战Cache 技术在实际应用中具有显著的优势，如提高系统性能、降低功耗等。

然而，随着处理器核心数的增加和数据访问模式的变化，Cache 的设计和优化也面临着诸多挑战，如多核Cache 一致性、非均匀访问等。

为了解决这些问题，研究人员不断提出新的Cache 结构和算法，以满足不断发展的计算需求。

简述cache存储体系的结构原理

简述cache存储体系的结构原理Cache存储体系的结构原理随着互联网的发展和数据量的不断增加，对于数据的访问速度和效率要求也越来越高。

为了提高数据的访问速度，减少对数据库等后端存储系统的压力，缓存技术应运而生。

Cache存储体系是一种常见的缓存技术，通过将数据存储在内存中，以提高数据的读取速度。

本文将从结构和原理两个方面对Cache存储体系进行简要的介绍。

一、Cache存储体系的结构Cache存储体系通常由三层结构组成：缓存层、数据库层和应用层。

1. 缓存层：缓存层是整个Cache存储体系的核心。

它由缓存服务器和缓存存储介质组成。

缓存服务器负责接收应用层的读请求，并根据缓存策略决定是否从缓存存储介质中读取数据。

缓存存储介质通常使用高速内存，如内存条或固态硬盘，以保证读取速度。

缓存层的设计要考虑数据一致性和可靠性，通常会采用缓存同步和缓存失效等机制。

2. 数据库层：数据库层是缓存层的下一层，负责存储和管理原始数据。

数据库层通常使用关系型数据库或分布式数据库，用于存储大量的数据。

在缓存层无法满足读取请求时，数据库层会被调用，从而保证数据的完整性和可靠性。

3. 应用层：应用层是整个Cache存储体系的最上层，负责接收用户的请求，并将读取到的数据返回给用户。

应用层可以是Web服务器、应用程序或其他数据访问接口。

应用层通常会通过缓存服务器来提高数据的读取速度，以提升用户体验。

二、Cache存储体系的原理Cache存储体系的原理主要包括缓存命中和缓存失效两个方面。

1. 缓存命中：当应用层发起读取请求时，缓存服务器会首先检查缓存层是否存在请求的数据。

如果数据在缓存层中存在，即发生了缓存命中，缓存服务器会立即将数据返回给应用层。

这样可以避免对数据库层的访问，大大提高了读取速度和系统的吞吐量。

2. 缓存失效：当缓存层无法命中请求的数据时，即发生了缓存失效。

缓存失效后，缓存服务器会向数据库层发起读取请求，获取数据并存储到缓存层中，以备下一次的读取请求。

cache的基本结构

cache的基本结构摘要：1.Cache 的基本结构1.1 Cache 的定义和作用1.2 Cache 的基本组成1.3 Cache 的工作原理1.4 Cache 的分类1.5 Cache 的应用场景正文：Cache 的基本结构随着计算机技术的发展，Cache（缓存）已经成为了计算机系统中不可或缺的组成部分。

它主要用于提高数据访问的速度和效率，降低CPU 与内存之间的速度差异。

本文将详细介绍Cache 的基本结构。

1.Cache 的定义和作用Cache 是一种高速临时存储区，用于存储最近访问的数据。

其作用是减少CPU 与内存之间的访问延迟，提高数据处理速度。

2.Cache 的基本组成Cache 通常由以下几部分组成：- 存储单元：用于存储数据的硬件单元。

- 标签：用于标识存储单元的数据。

- 访问控制器：用于控制Cache 的访问和替换策略。

- 数据总线和地址总线：用于与CPU、内存及其他设备进行数据传输。

3.Cache 的工作原理当CPU 需要访问数据时，首先会在Cache 中查找相应的数据。

如果找到了，就直接返回给CPU；如果没有找到，就会从内存中取出数据，存入Cache，并返回给CPU。

4.Cache 的分类根据存储介质和读写速度等特点，Cache 可以分为以下几类：- CPU 高速缓存（L1、L2、L3 Cache）：位于CPU 内部，由SRAM 组成，速度快，容量小。

- 磁盘Cache：位于磁盘驱动器内部，由DRAM 组成，速度较慢，容量较大。

- 网络Cache：位于网络设备内部，用于存储网络数据包，速度和容量因设备而异。

5.Cache 的应用场景Cache 广泛应用于各类计算机系统，如服务器、工作站、嵌入式设备等。

其应用场景包括：- Web 缓存：用于存储网页数据，提高网页访问速度。

- 数据库缓存：用于存储数据库数据，提高查询效率。

- 文件系统缓存：用于存储文件数据，提高文件读写速度。

Cache的相关知识

Cache的原理、设计及实现前言虽然CPU主频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于CPU，还与系统架构、指令结构、信息在各个部件之间的传送速度及存储部件的存取速度等因素有关，特别是与CPU/内存之间的存取速度有关。

若CPU工作速度较高，但内存存取速度相对较低，则造成CPU等待，降低处理速度，浪费CPU的能力。

如500MHz的PⅢ，一次指令执行时间为2ns,与其相配的内存（SDRAM）存取时间为10ns，比前者慢5倍，CPU和PC的性能怎么发挥出来？如何减少CPU与内存之间的速度差异？有4种办法：一种是在基本总线周期中插入等待，但这样会浪费CPU的能力。

另一种方法是采用存取时间较快的SRAM作存储器，这样虽然解决了CPU与存储器间速度不匹配的问题，但却大幅提升了系统成本。

第3种方法是在慢速的DRAM和快速CPU之间插入一速度较快、容量较小的SRAM，起到缓冲作用；使CPU既可以以较快速度存取SRAM中的数据，又不使系统成本上升过高，这就是Cache法。

还有一种方法，采用新型存储器。

目前，一般采用第3种方法。

它是PC系统在不大增加成本的前提下，使性能提升的一个非常有效的技术。

本文简介了Cache的概念、原理、结构设计以及在PC及CPU中的实现。

Cache的工作原理Cache的工作原理是基于程序访问的局部性。

对大量典型程序运行情况的分析结果表明，在一个较短的时间间隔内，由程序产生的地址往往集中在存储器逻辑地址空间的很小范围内。

指令地址的分布本来就是连续的，再加上循环程序段和子程序段要重复执行多次。

因此，对这些地址的访问就自然地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工作单元的选择都可以使存储器地址相对集中。

这种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。

根据程序的局部性原理，可以在主存和CPU通用寄存器之间设置一个高速的容量相对较小的存储器，把正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储器，供CPU在一段时间内使用。

计算机cache的名词解释

计算机cache的名词解释引言：在计算机科学领域，Cache（缓存）是一种重要的硬件或软件组件，用于提高计算机数据访问的速度和效率。

无论是在个人电脑还是服务器中，Cache都扮演着重要的角色。

本文将介绍Cache的概念、原理以及在计算机系统中的应用。

一、Cache的定义与功能Cache，可以理解为“高速缓冲存储器”，它被设计用于临时存储计算机系统中的数据，以便更快地访问常用的数据。

Cache是位于中央处理器（CPU）和主存（RAM）之间的一层存储器，在数据传输和处理过程中起到了缓冲和加速的作用。

Cache的主要功能是通过存储常用数据和指令，在需要时迅速提供给CPU。

由于CPU频繁地从主存中获取数据的过程较慢，Cache通过存储经常使用的数据，可以减少对主存的访问时间，提高了计算机系统的性能。

二、Cache的工作原理Cache的工作原理可以简单概括为“命中”和“失效”。

当CPU请求数据时，Cache会先检查是否已经存储了所需数据。

如果已经存在于Cache中，称之为“命中”，CPU可以直接从Cache中获取数据，节省了主存访问和传输的时间。

如果所需数据不在Cache中，则称之为“失效”，此时Cache需要从主存中获取所需数据，并存储到Cache中，以备将来的访问。

Cache采用高速存储器技术，通常分为多个级别（L1、L2、L3等），其中L1 Cache距离CPU最近，速度最快，容量也最小。

而L2、L3等级别的Cache容量逐渐增大，速度逐渐变慢，但仍然比主存要快。

三、Cache的分类根据存放数据的位置和性质，Cache可以分为三类：指令Cache（Instruction Cache）、数据Cache（Data Cache）和统一Cache（Unified Cache）。

指令Cache用于存放CPU执行指令时所需要的数据，例如程序的代码段、跳转地址等。

数据Cache则用于存放计算机程序中所操作的数据，例如变量、数组等。

Cache基本知识

张晨曦刘依
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5．两种写策略的比较 ◆ 写回法的优点：速度快，所使用的存储器频带较低； ◆ 写直达法的优点：易于实现，一致性好。
张晨曦刘依
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5.2 Cache 基本知识
6. 写缓冲器
7. “写”操作时的调块 ◆ 按写分配(写时取) 写失效时，先把所写单元所在的块调入 Cache，再行写入。 ◆ 不按写分配(绕写法) 写失效时，直接写入下一级存储器而不调块。
2. “写”操作必须在确认是命中后才可进行
3．“写”访问有可能导致Cache和主存内容的不一致
张晨曦刘依
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5.2 Cache 基本知识
4．两种写策略 ◆ 写直达法执行“写”操作时，不仅写入Cache，而且也写入下一级存储器。 ◆ 写回法执行“写”操作时，只写入Cache。仅当 Cache中相应的块被替换时，才写回主存。 (设置“污染位”)
Cache和两路组相联Cache，试问它们对CPU的性能有何影响？先求平均访存时间，然后再计算 CPU性能。分析时请用以下假设：
⑴ 理想Cache(命中率为100％)情况下的CPI 为2.0，时钟周期为2ns，平均每条指令访存1.3次。
⑵ 两种Cache容量均为64KB，块大小都是32 字节。
张晨曦刘依
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5.2 Cache 基本知识
◆ 并行查找的实现方法：相联存储器单体多字存储器＋比较器举例：４路组相联并行标识比较（比较器的个数及位数）
张晨曦刘依
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◆ ４路组相联Cache的查找过程
◆ 直接映象Cache的查找过程
5.2 Cache 基本知识
5.2.3 替换算法

cache工作原理

cache工作原理1. 概述Cache是计算机体系结构中的一种高速缓存存储器，用于提高计算机系统的性能。

它位于CPU和主存之间，存储了最近访问的数据和指令，以便快速响应处理器的访问请求。

本文将详细介绍Cache的工作原理。

2. Cache的组成Cache由多个Cache行组成，每个Cache行包含一个标记(Tag)、一个有效位(Valid Bit)和一个数据块(Data Block)。

标记用于比较主存地址，有效位表示数据块是否有效。

3. Cache的工作流程当CPU需要读取数据时，首先会在Cache中查找。

如果数据在Cache中命中(Hit)，则称为Cache命中，数据将直接从Cache中读取，称为Cache读取。

如果数据不在Cache中命中(Miss)，则需要从主存中读取数据，称为主存读取，并将数据存入Cache中，称为Cache写入。

4. Cache命中Cache命中是指CPU访问的数据或指令在Cache中已经存在的情况。

Cache命中可以分为三种类型：直接映射、全相联映射和组相联映射。

4.1 直接映射直接映射是最简单的Cache映射方式。

CPU的地址被划分为三个部分：标记(Tag)、组索引(Index)和块内偏移(Offset)。

CPU访问的地址首先被分成组索引和块内偏移，组索引用于在Cache中选择一个Cache行，然后标记用于比较以确定是否命中。

4.2 全相联映射全相联映射是最灵活的Cache映射方式。

CPU的地址被划分为两个部分：标记(Tag)和块内偏移(Offset)。

每个Cache行的标记与CPU地址的标记进行比较，以确定是否命中。

4.3 组相联映射组相联映射是直接映射和全相联映射的折中方案。

CPU的地址被划分为三个部分：标记(Tag)、组索引(Index)和块内偏移(Offset)。

组相联映射将Cache分为多个组，每个组由多个Cache行组成。

CPU地址的组索引用于选择一个组，然后在该组中选择一个Cache行进行标记比较。

cache工作原理

cache工作原理一、概述Cache是计算机系统中的一种高速缓存存储器，用于提高数据访问的速度。

它位于CPU和主存之间，存储最近经常访问的数据和指令。

本文将详细介绍Cache 的工作原理。

二、Cache的组成Cache主要由三个部分组成：Cache存储体、地址转换部件和替换策略。

1. Cache存储体：Cache存储体由若干个Cache块组成，每个Cache块可存储一个数据块或指令块。

每个Cache块还包含一个标签字段，用于存储主存中对应数据块或指令块的地址。

2. 地址转换部件：地址转换部件用于将CPU发出的逻辑地址转换为Cache存储体中的物理地址。

它通常包括地址分解和标签比较两个步骤。

地址分解将逻辑地址分解为标签、索引和块内偏移三个部分，标签用于与Cache存储体中的标签字段进行比较，索引用于确定在Cache存储体中的哪个Cache块中查找，块内偏移用于确定数据或指令在Cache块中的位置。

3. 替换策略：当Cache存储体已满时，新的数据或指令需要替换掉原有的数据或指令。

替换策略决定了替换的规则，常见的替换策略有最近最少使用（LRU）和先进先出（FIFO）等。

三、Cache的工作过程Cache的工作过程可以分为读取和写入两个阶段。

1. 读取阶段当CPU需要读取数据或指令时，首先会将逻辑地址发送给Cache。

Cache的地址转换部件将逻辑地址分解为标签、索引和块内偏移，并与Cache存储体中的标签进行比较。

如果标签匹配，即命中Cache，那么Cache会将对应的数据或指令块发送给CPU。

如果标签不匹配，即未命中Cache，那么CPU会将请求发送给主存，并将主存返回的数据或指令块存储到Cache中，同时更新对应的标签字段。

2. 写入阶段当CPU需要写入数据时，首先会将逻辑地址发送给Cache。

Cache的地址转换部件将逻辑地址分解为标签、索引和块内偏移，并与Cache存储体中的标签进行比较。

如果标签匹配，即命中Cache，那么Cache会将对应的数据块更新，并将更新后的数据块同时写入主存。

Cache的基本概念与工作原理

Cache的基本概念与⼯作原理1.背景知识随着 CPU 技术的飞速发展，常⽤的处理器飞奔在越来越⾼的频率之上，虽然处理器的速度越来越快，但是与之相匹配的存储器的速度却没有获得相应的提升，这⼤⼤限制了 CPU 的处理性能。

⽽我们本系列⽂档所介绍的主⾓Cache 技术就是⽤来解决这个难题的。

在 ARM 发布 Cortex-M7 架构之后，微控制器领域也出现了频率⾼达数百兆的芯⽚，如 ST 的 STM32F7 系列和NXP 的 i.MX RT 系列芯⽚，这些芯⽚内的处理器都⾃带 cache，在合理配置下可以表现出⼗分强悍的数据处理性能。

那么什么是 cache？如何利⽤这⼀新特性编写⾼性能的程序？⼜有什么要注意的地⽅吗？你可能会有上述这些疑问，别担⼼，本系列⽂章将会为你⼀⼀解答。

本系列⽂章分为三篇，第⼀篇为《cache 的基本概念与⼯作原理》，讲解 cache 相关的基础知识。

第⼆篇为《STM32F7 Cache 介绍与实战》，讲解如何在 STM32F7 系列芯⽚上使⽤ cache，并编写程序进⾏性能测试。

第三篇为《Cache 的⼀致性问题与使⽤技巧》，将会介绍 cache 的数据⼀致性问题和使⽤ cache 过程中的⼀些技巧。

下⾯我们从 cache 的基础知识开始，了解这⼀强⼤的特性吧。

2. 计算机的层次结构存储系统想要理解 cache 的⼯作原理，就必须要了解计算机系统中数据的存储⽅式。

在计算机中程序执⾏时所有的指令和数据都是从存储器中取出来执⾏的。

存储器是计算机系统中的重要组成部分，相当于计算机的仓库，⽤来存放各类程序及其处理的数据。

因此存储器的容量和性能应当随着处理器的速度和性能的提⾼⽽通过提⾼，以保持系统性能的平衡。

然⽽在过去的 20 多年中，随着时间的推移，处理器和存储器在性能发展上的差异越来越⼤，存储器在容量尤其是访问延时⽅⾯的性能增长越来越跟不上处理器性能发展的需要。

为了缩⼩存储器和处理器两者之间在性能⽅⾯的差距，通常在计算机内部采⽤层次化的存储器体系结构。

cache基础知识与配置（仅作自己学习记录，较混乱）

cache基础知识与配置（仅作⾃⼰学习记录，较混乱）1. 局部性原理（locality）cache中局部地址对应的数据较为常⽤，⽽该局部地址以外的数据较少使⽤。

局部性是cache的巨⼤特性。

把常⽤数据的地址，放到cache 中，避免CPU不停的到MEM中寻找数据。

2. cache的命中率指 CPU在任意时刻从cache中可靠读取数据的概率, 能在cache中找到需要的内存地址和数据的概率。

3. 映射⽅法注：cache和Memory的映射是按块（block）执⾏的全相联映射：mem块可以存储到cache的任意位置，⾮常灵活，不过需要有相联映射表。

因为mem的数据多，其块数远⼤于cache的块数，所以cache的块名⽆法和mem的块名⼀⼀对应。

mem数据写⼊到cache时，系统将两者的块名做成相联映射表，CPU需要mem的某块数据时，就在相联映射表中寻找对应的cache地址，读出所需的数据。

直接映射：该⽅法不需要相联映射表，⽽是将cache和mem都分为块，⽐如cache分为10块，mem分为100块。

mem的第1，11，21...91块只能存放在cache的第1块，第2块只能存放在cache的第2块，依次类推。

因此，不需要映射表，只需计算：【mem块名%cache块数】的模值，⽐如mem的第21块，其存储在cache的位置为：21%10=1，第⼀块。

组相联映射：组相联映射是前两者的折中⽅案。

将cache和mem都分组，每组同样按直接映射的⽅式存放，但是组内的各块却采⽤全相联映射，可以任意对应存放。

4. 替换策略：FIFO：堆栈，先进先出。

最先存到cache的数据地址被最先替换出去。

LRU（Least Recently Used，近期最少使⽤）：把CPU近期最少使⽤的块替换出去。

这种替换⽅法需要随时记录Cache中各块的使⽤情况，以便确定哪个块是近期最少使⽤的块。

每块也设置⼀个计数器，Cache每命中⼀次，命中块计数器清零，其他各块计数器增1。

cache知识点

cache知识点一、Cache的概念。

1. 定义。

- Cache（高速缓冲存储器）是位于CPU和主存之间的一种小容量、高速的存储器。

它的主要目的是解决CPU和主存之间速度不匹配的问题。

例如，CPU的运算速度非常快，而主存的读写速度相对较慢，Cache可以在CPU需要数据时，快速提供数据，减少CPU等待数据从主存传输的时间。

2. 工作原理。

- 当CPU需要读取数据时，它首先在Cache中查找。

如果数据在Cache中（称为Cache命中），则可以直接从Cache中快速读取数据，这个过程非常快。

如果数据不在Cache中（称为Cache未命中），则CPU从主存中读取数据，并且会把这个数据所在的一块数据（包含这个数据及其相邻的数据）从主存调入Cache中，以便下次访问时能够在Cache中命中。

- 同样，当CPU要写入数据时，有两种写入策略。

一种是写直达（Write - through），即CPU在写入数据到Cache的同时，也直接写入到主存。

这种策略保证了主存和Cache数据的一致性，但写操作速度较慢。

另一种是写回（Write - back），CPU只把数据写入Cache，当被修改的数据块要被替换出Cache时，才把数据写回主存。

这种策略提高了写操作的速度，但需要更多的控制逻辑来保证数据的一致性。

二、Cache的结构。

1. Cache的组成部分。

- 存储体：用于存储从主存调入的数据。

存储体由多个存储单元组成，每个存储单元存储一定字节的数据。

- 标记阵列（Tag Array）：用于标记Cache中的数据块来自主存的哪个位置。

因为Cache中的数据是从主存调入的，为了能够知道Cache中的数据对应主存中的哪些数据，需要标记阵列来进行标识。

- 控制逻辑：负责Cache的读写控制、数据替换策略的执行等操作。

例如，当Cache满了需要替换数据块时，控制逻辑根据设定的替换策略（如最近最少使用LRU 策略等）来选择要替换的数据块。

cache工作原理

cache工作原理一、引言Cache是计算机系统中一种重要的高速缓存存储器，它的存在可以大大提高计算机系统的性能。

本文将详细介绍Cache的工作原理，包括Cache的基本概念、Cache的结构、Cache的工作流程以及Cache的替换策略。

二、Cache的基本概念Cache是一种位于CPU与主存之间的高速缓存存储器，用于存储CPU频繁访问的数据和指令。

它的作用是提供快速的数据访问，减少CPU等待主存的时间，从而提高计算机系统的整体性能。

三、Cache的结构Cache的结构一般包括Cache存储体、地址映射和替换策略三个部分。

1. Cache存储体：Cache存储体由一组存储单元组成，每个存储单元称为一个Cache行。

每个Cache行可以存储一部分主存的数据和对应的标记位。

Cache的大小一般以字节为单位进行描述，常见的大小有4KB、8KB等。

2. 地址映射：地址映射用于将主存地址映射到Cache中的对应位置。

常见的地址映射方式有直接映射、全相联映射和组相联映射。

直接映射是最简单的方式，每个主存地址只对应一个Cache行；全相联映射是最灵活的方式，每个主存地址可以映射到任意一个Cache行；组相联映射是直接映射和全相联映射的折中方式，将Cache存储体划分为多个组，每个组包含若干个Cache行。

3. 替换策略：当Cache已满时，新的数据需要替换掉已有的数据。

常见的替换策略有最近最少使用（LRU）、先进先出（FIFO）和随机替换等。

LRU是一种基于数据访问历史的替换策略，即替换最长时间未被访问的数据；FIFO是一种先进先出的替换策略，即替换最早进入Cache的数据；随机替换则是随机选择一个数据进行替换。

四、Cache的工作流程Cache的工作流程一般包括Cache命中和Cache未命中两种情况。

1. Cache命中：当CPU需要读取或写入数据时，首先检查Cache中是否存在对应的数据。

如果存在，则称为Cache命中，CPU可以直接从Cache中读取或写入数据，避免了访问主存的时间延迟，提高了系统性能。

cache基础2

3.5.3.替换策略替换策略
cache工作原理要求它尽量保存最新数据，必然要产生替换。工作原理要求它尽量保存最新数据，必然要产生替换。工作原理要求它尽量保存最新数据对直接映射的cache来说，只要把此特定位置上的原主存块换来说，对直接映射的来说即可。出cache即可。即可对全相联和组相联cache来说，就要从允许存放新主存块的若来说，对全相联和组相联来说干特定行中选取一行换出。干特定行中选取一行换出。最不经常使用(LFU)算法算法 ★最不经常使用算法 LFU算法将一段时间内算法将一段时间内被访问次数最少的那行数据换出。数据换出。每行设置一个计数器。开始计数，个计数器。从0开始计数，开始计数每访问一次，每访问一次，被访行的计数器增1。当需要替换时，计数器增。当需要替换时，将计数值最小的行换出，同时将这些行的计数器都清零。将计数值最小的行换出，同时将这些行的计数器都清零。这种算法将计数周期限定在对这些特定行两次替换之间的间隔时间内，不能严格反映近期访问情况。间隔时间内，不能严格反映近期访问情况。
1.全相联映射方式全相联映射方式全相联映射方式主存中一个块的地址与块的内容一起存于cache的行中，其的行中，主存中一个块的地址与块的内容一起存于的行中中块地址存于cache行的标记部分中。行的标记部分中。中块地址存于行的标记部分中这种方法可使主存的一个块直接拷贝到cache中的任意一这种方法可使主存的一个块直接拷贝到中的任意一行上，非常灵活。行上，非常灵活。它的主要缺点是比较器电路难于设计和实现,因此只适合它的主要缺点是比较器电路难于设计和实现因此只适合于小容量cache采用。采用。于小容量采用全相联映射的示意图演示(3.38) 全相联映射的示意图演示 2.直接映射方式直接映射方式这也是一种多对一的映射关系，这也是一种多对一的映射关系，但一个主存块只能拷贝的一个特定行位置上去。到cache的一个特定行位置上去。的一个特定行位置上去 cache的行号和主存的块号有如下函数关系：的行号i和主存的块号有如下函数关系：的行号和主存的块号j有如下函数关系中的总行数） i=j mod m （m为cache中的总行数）为中的总行数直接映射方式的示意图演示(3.39) 直接映射方式的示意图演示

Cache概念及组成结构

Cache概念及组成结构Cache概念及组成结构Cache，是一种后关系型数据库。

能并发访问同一数据的数据库技术。

对于Cache概念及组成知识你了解多少？下面店铺整理了Cache概念及组成结构，供大家参阅。

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。

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。

主要由三大部分组成：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：在缓存已满时按一定策略进行数据块替换，并修改地址转换部件。

补充说明：Java 中常用缓存Cache机制的实现缓存主要可分为二大类:一、通过文件缓存,顾名思义文件缓存是指把数据存储在磁盘上，不管你是以XML格式，序列化文件DAT格式还是其它文件格式；二、内存缓存，也就是实现一个类中静态Map,对这个Map进行常规的增删查.代码如下：1. packagelhm.hcy.guge.frameset.cache;2.3. importjava.util.*;4.5. //Description:管理缓存6.7. //可扩展的功能：当chche到内存溢出时必须清除掉最早期的一些缓存对象，这就要求对每个缓存对象保存创建时间8.9. publicclassCacheManager{10. privatestaticHashMapcacheMap=newHashMap();11.12. //单实例构造方法13. privateCacheManager(){14. super();15. }16. //获取布尔值的缓存17. publicstaticbooleangetSimpleFlag(Stringkey){18. try{19. return(Boolean)cacheMap.get(key);20. }catch(NullPointerExceptione){21. returnfalse;22. }23. }24. publicstaticlonggetServerStartdt(Stringkey){25. try{26. return(Long)cacheMap.get(key);27. }catch(Exceptionex){28. return0;29. }30. }31. //设置布尔值的缓存publicsynchronizedstaticbooleansetSimpleFlag(Stringkey,boolea nflag){33. if(flag&&getSimpleFlag(key)){//假如为真不允许被覆盖34. returnfalse;35. }else{36. cacheMap.put(key,flag);37. returntrue;38. }39. }40. publicsynchronizedstaticbooleansetSimpleFlag(Stringkey,longse rverbegrundt){41. if(cacheMap.get(key)==null){42. cacheMap.put(key,serverbegrundt);43. returntrue;44. }else{45. returnfalse;46. }47. }48.49.50. //得到缓存。