高速缓冲存储器Cache的工作原理及技术实现
第四章-存储器04-高速缓冲存储器
Cache 000 001 010 011 100 101 110 111 000 001 010 011 100 101 110 111
调入
4.1、地址映象——直接映像
例2：设一个Cache中有8块，访问主存进行读操作的块地址依次为： 10110、11010、10110、11010、10000、00100、10010， 求每次访问时Cache的内容。
硬件完成功能： 访存地址 转成 Cache地址 辅助存储器
Cache 的全部功能都是 由硬件完成的， 对程序员来说是透明的。
4.1、地址映象
映象：其物理意义就是位置的对应关系，将主存地址变成Cache地址。
常见的映象方式主要有三种： 1）直接映象 2）全相联映象 3）组相联映象
CPU Cache 字 数据总线 字
2位 主存区号标记 00 主存块号 比较 3位 区内块号 100 Cache块号 未命中 访问内存 000 001 010 011 100 101 110 111 块内地址 块内地址
Cache
000 001 010 011 100 101 110 111
调入
块表 000 001 010 011 100 101 110 111
4、高速缓冲存储器（Cache）
考研试题精选：
假设：CPU执行某段程序时，共访问Cache 3800 次，访问主存200 次，已知Cache存取周期为50ns，主存存取周期为250ns。
求：Cache—主存系统的平均存取时间和效率。 解： 系统命中率 h = 3800 / 3800 + 200 = 0.95
Cache
000 001 010 011 100 101 110 111 调入
块表 000 10 001 010 11 011 100 101 110 10 111
cache原理
cache原理
Cache（缓存）是一种计算机系统的重要组成部分，它可以大幅提升计算机系统的性能。
下文将对Cache的基本原理、Cache的结构以及Cache的实现方式进行论述。
一、Cache的基本原理
Cache通常位于CPU和主内存之间，是一块较小的高速存储器。
它的作用是为了减少CPU访问主内存的次数，提高存取速度。
Cache 的原理是使用特定的技术在CPU和主内存之间建立一个缓冲层，用以缓存CPU访问过的数据。
由于Cache的存储容量远远小于主内存，因此Cache通常只能把用户最近访问、最频繁访问的数据缓存起来，从而加快数据的存取速度，提高CPU的处理性能。
二、Cache的结构
Cache由内存块、标签存储器和替换算法三部分组成。
内存块主要存放缓存数据，标签存储器用于记录内存块中缓存数据的地址、标签信息以及有效位，替换算法用于当内存块满时选择一块内存块将其替换出去。
三、Cache的实现方式
Cache的实现方式主要有两种：直接映射和全相联映射。
直接映射是将主存中的数据一一映射到Cache中，只要知道主存中数据的地址，就可以直接找到Cache中的数据；而全相联映射则在Cache中设置一组控制位，将主存中的数据按照统一的算法映射到Cache的几个块中，在进行Cache搜索时，先查找控制位，再查找Cache中的数据，
以确定数据是否在Cache中。
四、总结
以上是Cache的原理和实现方式，Cache能有效的加快CPU的存取速度，提高处理性能。
只要掌握Cache的基本原理，就可以灵活运用，从而更好的提升计算机系统的效率。
Cache原理
CБайду номын сангаасche
2、组成：Cache是由高速小容量存储器及其控制电路 组成，其速度大大快于低速部件，至少等于快速 部件；相对于低速部件的大容量而言，小容量使 其附加的费用不高； Cache的工作位置介于两部件 之间。微型机中使用Cache的地方有CPU~内存、 内存~外存储器。CPU~内存的Cache目前做在微处 理器芯片内（如Pentium…)；主存~外存储器则做 在外存储器内（如硬盘、光驱…）。
Cache
例（估算Cache的作用） ：设CPU内核时钟 f1=1.0GHz，总线时钟f2=100MHz（=内存速度）； L1 CACHE=32KB，命中率H1=80%；L2 CACHE=64KB，命中率H21=86%；L2 CACHE=128 KB，命中率H22=90%。比较在无 CACHE和L2 CACHE半速/全速下内存子系统的等 效速度。 内存等效平均访问周期： T=H1/f1+(1-H1)H2/f1'+(1-H1)(1-H2)/f2 其中L2全速时f1'=f1；半速时f1'=f1/2 内存等效平均速度 f=1/T
1 2 3 4 5 6
× 1×80% =0.8 0.8 0.8 0.8 0.8
Cache
3、工作原理（CPU~内存为例）
⑴、CPU要读取内存数据，首先 通过地址总线发送内存单元 地址，该地址经过Cache时被 Cache的电路与存储在其内的 数据的单元的块地址做高速 比较，若有相同的，则Cache 内有CPU要的数据，这称为 命
８Ｂ块地址例： 块地址例： 00000000 00H 00000001 01H 00000010 02H 00000011 03H 00000100 04H 00000101 05H 00000110 06H 00000111 07H
第4章半导体存储器-4.2高速缓冲存储器Cache
3、存储器管理
虚拟存储器：虚拟存储器是由主存－辅存物理结构和负责信息块 划分以及主存－辅存之间信息调度的存储器管理部件(MMU)的 辅助硬件及操作系统的存储器管理软件所组成的存储系统。 管理方式：页式虚拟存储器、段式虚拟存储器、段页式虚拟 存储器 虚拟地址：能访问虚拟空间的指令地址码称为虚拟地址。 物理地址：实际的主存地址。
地址对准实际上是保证数据的对准。 未对准的数据要在CPU内部经过字节交换，使其在数据线 上对准存储体。 非对准的字要两个总线周期，对相邻的两个字进行两次操 作，在CPU内部经过字节交换，最终完成读写。
№ 13
2、替换策略
先进先出FIFO：选择最早装入快存的页作为被替换 的页； 最近最少使用策略LRU：选择CPU最近最少访问的页 作为被替换的页
AD0 L H L H
读写的字节 两个字节（AD15—AD0） 高字节（AD15—AD8） 低字节 （AD7—AD0） 不读写
如何连接，满足读写一个字节的需要，又能达到读一个字（低 № 10 位字节在偶地址）？
� � � �
1、存储器的奇偶分体 偶地址（从0开始）单元组成偶存储体， 奇地址单元组成奇存储体。 偶体、奇体共同组成16位存储器系统 。 16位读写是从偶体中选中1个单元、 再从地址加1的奇体中选中1个单元同时读写 。
虚地址
…
段式虚拟存储器的映像
3）段页式虚拟存储器
3、段页式虚拟存储器 虚地址
基号
段号
段表 0
页号
页表
页内地址 实地址
段基址表 0 L N-1
段表 段表 长度 基址 ‥ 1 L-1
M
装入 段长 位
页表 下址
实页 装入 号 位
访问 方式
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存储器，用于存储最常访问的数据，以提高系统的运行效率。
它位于CPU和主存之间，作为CPU与主存之间的缓冲区，减少了CPU对主存的访问次数，从而加快了数据的访问速度。
二、Cache的组成Cache由多个Cache块组成，每个Cache块包含一个标签（Tag）、一个有效位（Valid Bit）和一个数据块（Data Block）。
1. 标签（Tag）：用于标识Cache块中存储的数据的地址范围，与主存的地址进行比较，确定是否命中Cache。
2. 有效位（Valid Bit）：用于表示Cache块中的数据是否有效，当有效位为1时，表示Cache块中的数据有效；当有效位为0时，表示Cache块中的数据无效。
3. 数据块（Data Block）：用于存储从主存中读取的数据。
三、Cache的工作原理Cache的工作原理可以分为两个阶段：读取阶段和写入阶段。
1. 读取阶段当CPU需要读取数据时，首先会将要读取的数据的地址发送给Cache。
Cache会根据地址的标签与Cache中的标签进行比较，判断是否命中Cache。
如果命中Cache，则直接从Cache中读取数据，提高了数据的访问速度。
如果未命中Cache，则需要从主存中读取数据，并将数据存储到Cache中，以备下次访问。
2. 写入阶段当CPU需要写入数据时，首先会将要写入的数据的地址和数据发送给Cache。
Cache会根据地址的标签与Cache中的标签进行比较，判断是否命中Cache。
如果命中Cache，则直接将数据写入到Cache中，并将有效位设置为1，表示数据有效。
如果未命中Cache，则需要将数据写入主存，并更新Cache中对应地址的数据块。
四、Cache的替换策略由于Cache的容量有限，当Cache已满时，需要替换掉一个Cache块以腾出空间存储新的数据。
常见的替换策略有三种：随机替换、先进先出替换（FIFO）和最近最少使用替换（LRU）。
计算机组成原理——cache高速缓存存储器
计算机组成原理——cache⾼速缓存存储器cache-⾼速缓存存储器在主存与CPU之间插⼊⼀级或多级SRAM组成的⾼速缓存存储器。
扩展cache有限，因为SRAM价格昂贵。
cache作⽤：为了解决CPU和主存之间速度不匹配⽽采⽤的⼀项重要技术。
cache特性：具有空间局部性以及时间局部性。
cache的组成：SRAM和控制逻辑。
如果cache在CPU芯⽚外，它的控制逻辑⼀般和主存控制逻辑合成在⼀起，称主存/cache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。
cacheache的命中率：为了使主存的平均读出时间尽可能接近cache的读出时间，cache命中率应接近于1.地址映射含义：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，称作地址映射。
地址映射⽅式：全相联映射⽅式、直接映射⽅式和组相联映射⽅式。
全相联映射⽅式⼩结：（1）在全相联cache中，全部标记⽤⼀个相联存储器来实现，全部数据⽤⼀个普通RAM来实现。
（2）优点”冲突率⼩，cache利⽤率⾼（3）缺点：⽐较器难于设计与实现（4）只适⽤⼩容量cache。
直接映射⽅式⼩结：（1）优点：硬件简单，成本低。
（2）缺点：每个主存块只有⼀个固定得⾏位置可存放。
（3）发⽣冲突率⼤。
（如果块号相距m整数倍得两个块存于同⼀cache⾏时）（4）适合⼤容量cache.组相联映射⽅式⼩结：适度兼顾了“全相联映射⽅式”和“直接映射⽅式”的优点以及尽量避免两者的缺点。
替换策略含义：当⼀个新的主存块需要拷贝到cache，⽽允许存放块的⾏位置都被其他主存占满时，就要产⽣替换。
适合的地址映射⽅式：全相联映射⽅式和组相联映射⽅式（1）最不经常使⽤（LFU）算法含义：将⼀段时间内被访问次数最少的那⾏数据换出。
简述cache的工作原理
简述cache的工作原理Cache（缓存）是计算机中常用的一种技术，其主要作用是提高数据访问速度和效率。
Cache技术的最主要工作原理是将经常访问的数据存入到高速缓存中，以便在之后的访问中能够更快地读取。
下面将对Cache的工作原理进行详细的介绍。
Cache采用一种层次式存储结构，与主存储器进行数据交换。
当 CPU 需要访问内存中的某个单元时，Cache 先进行检索，若找到该单元，则直接将其读取。
若没有找到该单元，则需要将主存中的数据存储到 Cache 这一层以便之后的读取。
Cache的访问速度比主存储器快的多，因此通过将经常访问的数据存储到 Cache 中，CPU 可以更快地访问到数据并进行计算。
Cache 的工作原理主要可分为以下几个步骤：1. 读取阶段。
这一阶段当 CPU 发送请求到 Cache 时，Cache 先检查该内存地址是否在 Cache 中存在，如果存在，就直接将对应的数据传输给 CPU；如果不存在，则进入下一步操作。
2. 查找阶段。
这一阶段 Cache 将会扫描是否存在请求的内存地址，如果找到了，则返回该内存地址所对应的缓存块；如果没找到，则继续执行下一步操作。
3. 替换阶段。
这一步是针对 Cache 中的容量有限的情况，假如Cache中已经存储了足够多的数据，但是需要存储的数据之前并没有被缓存（称为Cache miss），因此需要将Cache中最近最少被使用的数据替换，并将这些新数据写入 Cache 中。
4. 写回周期。
这一阶段是指当 Cache 中的数据发生改变时，在下一次访问内存块时，Cache 不仅会将新数据传回内存存储，而且也会更新Cache 中相应的缓存块，确保 Cache 中的数据与内存中的数据保持同步。
通过上述过程，Cache 可以减少内存访问产生的时间延迟，从而加快计算机系统的运行速度。
在实际应用中，为了避免Cache miss 和 Cache 内存储器的容量限制，可以采取多级Cache 或 Cache 缓冲区的形式进行优化。
高速缓冲存储器cache的原理
高速缓冲存储器cache的原理高速缓冲存储器（Cache）原理简介什么是高速缓冲存储器•高速缓冲存储器（Cache）是计算机体系结构中一种用于提高数据传输速度的存储器层次结构。
•它位于处理器和主存储器之间，作为一个中间层，存储处理器频繁使用的数据，以提供更快的访问速度。
高速缓冲存储器的工作原理1.局部性原理–高速缓冲存储器的设计基于计算机程序的局部性原理。
–局部性原理包括时间局部性和空间局部性两个方面。
–时间局部性指的是在一段时间内，CPU对某些数据的访问很频繁。
–空间局部性指的是当访问某个地址时，很可能在不久的将来还会访问附近的地址。
2.缓存工作原理–高速缓冲存储器通过存储最近使用的数据来加速访问速度。
–缓存采用一种称为缓存行的数据块单位，将主存储器中的数据缓存在缓存中。
–缓存行的大小一般为2^n字节，其中n为缓存行地址的位数。
–当CPU需要从主存储器中读取数据时，首先会检查缓存中是否有对应的缓存行。
–如果有，称为缓存命中；如果没有，称为缓存未命中。
3.缓存命中–当缓存命中时，CPU可以直接从缓存中读取数据，避免了对主存储器的访问，大大提高了访问速度。
–同时，缓存还可以缓存下一条指令，提前加载到缓存中，以等待CPU的执行。
4.缓存未命中–当缓存未命中时，需要从主存储器中读取数据，此时会引起一定的延迟。
–缓存未命中会触发缓存替换算法，将最近最少使用的缓存行替换出去，腾出空间存放新的缓存行。
5.缓存替换算法–常见的缓存替换算法有最近最久未使用（LRU）、先进先出（FIFO）和随机替换等。
–这些算法会根据缓存行的使用频率等因素来进行替换决策。
–替换算法的选择往往取决于不同的应用场景和硬件架构。
高速缓冲存储器的优势与应用•高速缓冲存储器极大地提高了计算机的性能和效率。
•它可以减少CPU对主存储器的访问次数，缩短了数据传输的时间。
•高速缓冲存储器被广泛应用于各种计算机硬件架构中，包括个人电脑、服务器和嵌入式系统等。
Cache的原理
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。
高速缓冲存储器
Cache的实现原理是：将CPU最近最可能用到的指令或数据从主存复制到Cache中，当CPU下次再用到 这些信息时，就不必访问慢速的主存，而直接从快速的Cache中得到，从而提高访问速度。
Cache的工作原理
当 CPU 发 出 读 命 令 时 ， Cache 控 制部件先要检查CPU送出的地址，判 断 CPU 要 访 问 的 地 址 单 元 是 否 在 Cache 中 。 若 在 ， 称 为 Cache 命 中 ， CPU 就 可 直 接 从 Cache 中 访 问 ； 若 不 在，则称为Cache未命中（或失效）， 这时就需要从内存中访问，并把与本 次访问相邻近的存储区内容复制到 Cache中，以备下次使用。组内全相联映来自的方法。高速缓冲存储器
1.3 Cache的替换策略
当CPU访问的数据不在Cache中（即Cache未命中）时，就要访问主存，并把数据所在的页调入Cache，以 替换Cache中的页。
从C随ac机he替中换随算机法地选 一页替换。
先进选先择出最（先F调IF入O的）页算法 替换
最近最少使用（LRU） 选择最算近法最少使用 的页替换。
写 贯 穿 法 （ WT ） ： 在 对 Cache 进 行 写 操作的同时，也写入主存。
回 写 法 （ WB ） ： 在 对 Cache 进行写操作时，不写入主存，只是 在Cache中加以标记。只有当Cache 中的数据被再次更改时，才将原更 新的数据写入主存。
微机原理与接口技术
高速缓冲存储器
1.2 Cache的地址映射
被复制到Cache中的数据在内存中的地址与在Cache 中的地址之间的对应关系称为Cache的地址映射。
为了方便管理，将主存和Cache都分成大小相等的 若干页。设主存容量为2n，Cache容量为2m，页的大小 为2p（即页内地址有p位），则主存的页号（即页地址） 共有n－p位，Cache页号共有m－p位。这样，在进行地 址映射时，就是把主存页映射到Cache页上（即页号的 映射）。
高速缓冲存储器cache
高速缓冲存储器cache程序的访问局部性程序的访问局部性定义在较短时间间隔内，程序产生的地址往往聚集在很小的一段地址空间内。
具体体现有两方面：时间局部性：被访问的某一存储单元，在一个较短的时间间隔内可能被再次访问；空间局部性：被访问的存储单元的邻近单元在一个较短的时间间隔内，可能也会被访问。
产生访问局部性的原因程序是由指令和数据组成的。
指令在主存中是按序存放的，存储单元是连续的，地址也是连续的，循环结构程序段或函数等子程序段再较短时间间隔内可能被重复执行，因此，指令的访问具有明显的局部化特性；数据在主存中的也是按序连续存放的，尤其是数组元素，常常被按序重复访问，因此，数据的访问也具有明显的局部化特性。
命中(Hit)：若CPU访问单元所在的块在cache中，则称为命中。
命中的概率称为命中率(Hit Rate)，是命中次数与访问总次数之比。
命中时，CPU在cache直接存取信息，所用的时间开销为cache的访问时间，称为命中时间(Hit Time)。
缺失(Miss)：若CPU访问单元所在的块不在cache中，则称为不命中或缺失，缺失的概率称为缺失率(Miss Rate)，是缺失次数与访问总次数之比。
缺失时，需要从主存读取一个主存块送cache，同时将所需信息送CPU，所用的时间开销为主存访问时间和cache访问时间之和。
通常将从主存读入一个主存块到cache的时间称为缺失损失(Miss Penalty)。
CPU在cache—主存层次的平均访问时间为。
由于程序访问的局部性特定，cache的命中率可以达到很高，接近于1，因此，即使Miss Penalty 远远大于Hit Time，但最终的平均访问时间仍可接近cache的访问时间。
cache工作流程程序执行中过程中，需要从主存取指令或读数据时，先检查cache是否命中，若命中，则直接从cache中读取信息送CPU进行运算，而不用访问主存储器；若缺失，则将访问地址内的数据送CPU进行运算，同时将当前访问的主存块复制到cache中。
cache 工作原理
cache 工作原理
缓存是一种高速的存储方式，用于存储最常访问的数据，以便提高数据处理和访问速度。
它工作的基本原理是利用空间换时间的概念。
当程序需要读取数据时，首先会检查缓存中是否存在该数据。
如果存在，则直接从缓存中读取，并且可以避免访问更慢的主存储器或远程服务器。
这样就大大缩短了数据访问的时间。
如果缓存中不存在所需的数据，这时候就需要从主存储器或远程服务器中读取数据，并将其存储到缓存中。
下一次需要相同数据时，就可以直接从缓存中读取，而不需要再次访问主存储器或服务器。
为了提高缓存的效率，缓存通常采用一定的替换策略。
如果缓存已满并且需要将新的数据存储到缓存中，就需要替换掉一部分存在的数据。
常见的替换策略有最近最少使用（LRU）、先进先出（FIFO）等等。
另外，为了保持缓存的一致性，缓存还会采用一定的更新策略。
当数据在主存储器中被修改时，缓存中的相应数据也需要被更新。
更新策略可以是写回（Write-back）或写直达（Write-through）。
缓存的工作原理主要包括三个步骤：命中、替换和更新。
当程序访问缓存的数据时，会进行命中检查，如果命中缓存，则直接读取；如果未命中，则需要从主存储器或服务器中读取，并
进行替换和更新。
总的来说，缓存的工作原理是通过存储常用数据来提高数据访问速度，采用一定的替换和更新策略，以实现高效的数据存取。
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工作原理
cache工作原理缓存（Cache）是计算机系统中的一种高速存储器，用于暂时存储时常访问的数据，以提高数据访问的速度和效率。
在计算机体系结构中，缓存通常位于CPU和主存之间，作为两者之间的缓冲区域，用于存储CPU频繁访问的数据和指令。
缓存的工作原理是通过在CPU和主存之间建立多级缓存层次结构，将数据从慢速的主存复制到快速的缓存中，以便CPU能够更快地访问数据。
当CPU需要读取数据时，首先会在最高级别的缓存（一级缓存）中查找，如果数据在缓存中找到（命中），则直接从缓存中读取；如果数据不在缓存中（未命中），则需要从主存中读取数据，并将数据复制到缓存中，以供后续的访问。
缓存的命中率是衡量缓存性能的重要指标，命中率越高，说明缓存中的数据被频繁使用，缓存能够更有效地提供数据。
缓存的命中率可以通过统计缓存的命中次数和访问次数来计算，命中率等于命中次数除以总的访问次数。
缓存采用的是局部性原理，即在短期内，CPU往往会多次访问相同的数据或者附近的数据。
这是因为程序的执行往往具有时间和空间的局部性，即程序倾向于访问最近使用过的数据或者附近的数据。
缓存利用了这种局部性原理，将最近使用的数据存储在缓存中，以便CPU能够更快地访问。
缓存的设计需要考虑多个因素，包括缓存的容量、缓存的映射方式、缓存的替换策略和缓存的写回策略等。
缓存的容量是指缓存能够存储的数据量，通常以字节为单位。
缓存的容量越大，能够存储的数据量就越多，但也会增加成本和访问延迟。
缓存的容量普通是根据系统需求和成本效益来确定的。
缓存的映射方式是指将主存中的数据映射到缓存中的方式。
常见的映射方式包括直接映射、全相联映射和组相联映射。
直接映射是最简单的映射方式，每一个主存块只能映射到缓存中的一个特定位置；全相联映射是最灵便的映射方式，主存块可以映射到缓存中的任何位置；组相联映射是直接映射和全相联映射的折中方式，将缓存划分为多个组，每一个组中包含多个缓存行，每一个主存块只能映射到某个组中的某个位置。
cache工作原理
cache工作原理一、概述Cache（缓存）是计算机系统中常见的一种高速存储器，用于加快数据访问速度。
它位于CPU和主内存之间，作为CPU和主内存之间的缓冲区，存储最常用的数据和指令。
Cache的工作原理是通过存储最近使用的数据，以便在需要时能够快速访问。
二、Cache的层次结构1. L1 CacheL1 Cache是位于CPU内部的一级缓存，分为L1数据缓存和L1指令缓存。
L1数据缓存用于存储最近访问的数据，而L1指令缓存用于存储最近访问的指令。
由于L1 Cache位于CPU内部，访问速度非常快，通常只需几个时钟周期。
2. L2 CacheL2 Cache是位于CPU和主内存之间的二级缓存。
它的容量比L1 Cache大，但访问速度相对较慢。
L2 Cache的作用是存储CPU频繁访问的数据块，以提高数据访问速度。
当L1 Cache无法命中时，CPU将从L2 Cache中查找所需的数据。
3. L3 CacheL3 Cache是位于CPU和主内存之间的三级缓存。
它的容量更大，但访问速度相对较慢。
L3 Cache的作用是存储CPU频繁访问的数据块，以进一步提高数据访问速度。
当L1和L2 Cache无法命中时，CPU将从L3 Cache中查找所需的数据。
4. 主内存主内存是计算机系统中的主要存储器，容量较大。
当Cache无法命中时，CPU 将从主内存中获取所需的数据。
相对于Cache，主内存的访问速度较慢。
三、Cache的工作原理1. 缓存命中当CPU访问数据或者指令时，首先会在Cache中进行查找。
如果所需的数据或者指令在Cache中已经存在，即发生了缓存命中，CPU将直接从Cache中获取数据或者指令，而不需要访问主内存。
这样可以大大加快数据访问速度。
2. 缓存不命中如果所需的数据或者指令在Cache中不存在，即发生了缓存不命中，CPU将从主内存中获取数据或者指令，并将其加载到Cache中。
这样在下一次访问时，就可以直接从Cache中获取，而不需要再次访问主内存。
高速缓冲存储器的功能、结构与工作原理
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。
Cache的功能是用来存放那些近期需要运行的指令与数据。
目的是提高CPU对存储器的访问速度。
为此需要解决2个技术问题：一是主存地址与缓存地址的映象及转换；二是按一定原则对Cache的内容进行替换。
Cache的结构和工作原理如图2.3.1所示。
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。
2.3.2 地址映象与转换地址映象是指某一数据在内存中的地址与在缓冲中的地址，两者之间的对应关系。
下面介绍三种地址映象的方式。
1.全相联方式地址映象规则：主存的任意一块可以映象到Cache中的任意一块(1) 主存与缓存分成相同大小的数据块。
(2) 主存的某一数据块可以装入缓存的任意一块空间中。
全相联方式的对应关系如图2.3.2所示。
如果Cache的块数为C b，主存的块数为M b，则映象关系共有C b×M b种。
图2.3.3示出了目录表的格式及地址变换规则。
目录表存放在相关（联）存储器中，其中包括三部分：数据块在主存的块地址、存入缓存后的块地址、及有效位（也称装入位）。
由于是全相联方式，因此，目录表的容量应当与缓存的块数相同。
举例：某机主存容量为1M，Cache的容量为32KB，每块的大小为16个字（或字节）。
划出主、缓存的地址格式、目录表格式及其容量。
容量：与缓冲块数量相同即211＝2048（或32K/16＝2048）。
优点：命中率比较高，Cache存储空间利用率高。
缺点：访问相关存储器时，每次都要与全部内容比较，速度低，成本高，因而应用少。
2.直接相联方式地址映象规则：主存储器中一块只能映象到Cache的一个特定的块中。
(1) 主存与缓存分成相同大小的数据块。
简述高速缓冲存储器的工作原理
简述高速缓冲存储器的工作原理
高速缓冲存储器（Cache）是位于计算机处理器和主存之间的一种存储器，其工作原理是通过预先将主存中的数据和指令复制到缓存中，并将最近访问过的数据和指令保存在缓存中。
当处理器需要读取数据或指令时，首先会检查缓存中是否存在需要的数据或指令。
如果存在，则可以直接从缓存中获取，从而加快读取速度；如果不存在，则需要从主存中获取，并将其复制到缓存中以备将来使用。
缓存的工作原理主要包括以下几个步骤：
1. 读取请求：当处理器需要读取数据或指令时，首先会发送读取请求给缓存。
2. 检查缓存：缓存会检查自身是否包含所需的数据或指令。
如果命中（hit），则直接从缓存中读取；如果未命中（miss），则进入下一步。
3. 访问主存：当缓存未命中时，会发送请求给主存，从主存中读取所需的数据或指令。
4. 更新缓存：主存返回数据或指令后，将其复制到缓存中，并更新缓存的标记信息。
5. 返回数据：最后，缓存将数据或指令返回给处理器。
通过将最常用的数据和指令保存在缓存中，可以减少处理器对主存的访问次数，从而提高计算机的性能。
高速缓存采用了较快的存储介质和更接近处理器的位置，以便更快地访问数据和指令。
同时，缓存采用了更小的容量，以节省成本，并且使用
了一些替换算法来选择替换缓存中的数据，以便能够存储更多的热点数据。
高速缓冲存储器
1.1 cacheห้องสมุดไป่ตู้概念
为了解决存储器系统的容量、存取速度及单位成本 之间的矛盾，可以采用cache―主存存储结构，即在主存 和CPU之间设置cache，把正在执行的指令代码单元附近 的一部分指令代码或数据从主存装入cache中，供CPU在 一段时间内使用。由于存储器访问的局部性，在一定容 量cache的条件下，可以做到使CPU大部分取指令代码及 进行数据读写的操作都只需通过访问cache就可实现，而 不是访问主存实现。
高速缓冲存储器
1.2 cache的基本组成与工作原理
辅助硬件电路
高速 缓存
主
CPU
存
高速缓冲存储器
1.2 cache的基本组成与工作原理
主
替换控
存
制部件
地
主
址
CPU 寄 存 器
Cache－主 存地址变 换机构
cache 地址 寄存
Cache 存储器
存
MA
器
高速缓冲存储器
1.2 cache的基本组成与工作原理
3）随机替换策略 是从特定的行位置中随机地选取一行替换
高速缓冲存储器
1.3 cache的地址映像
高速缓冲存储器
1.3 cache的地址映像
读操作
- 一种是需要的数据已在cache存储器中，那么只需直接访问cache存储器， 从对应单元中读取信息到数据总线。 - 另一种是所需要的数据尚未装入cache存储器中，CPU在从主存读取信息 的同时，由cache替换部件把该地址所在的存储内容从主存复制到cache中。
写操作
- 其一，命中时，不但要把新的内容写入cache中，还必须同时写入主存， 使主存和cache内容同时修改。
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桂林理工大学2013年春季学期<<计算机组成原理X>>课程论文题目：高速缓冲存储器Cache的工作原理及技术实现专业：网络工程班级：网络11-2班学号：3110757202姓名：xxx信息科学与工程学院2013年7月【内容摘要】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。
高速缓冲存储器Cache 是架设在CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小但交换速度快，主要用来提高CPU提取数据的速度，Cache作为PC系统中一个重要功能部件，已成为评价和选购P C系统的重要指标，下面主要谈谈Cache的原理、设计及发展趋势。
【关键词】Cache CPU 命中率映像局部性原理【前言】我们通常都认为计算机的速度是由CPU决定的, 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，还要有其它的硬件或软件来充分发挥它的速度，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。
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，若CPU工作速度较高，但内存存取速度较低，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，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。
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。
【正文】一、高速缓冲存储器的结构Cache的功能是用来存放那些近期需要运行的指令与数据。
目的是提高CPU对存储器的访问速度。
为此需要解决2个技术问题：一是主存地址与缓存地址的映象及转换；二是按一定原则对Cache的内容进行替换。
Cache的结构和工作原理如下图所示。
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。
Cache通常由相联存储器实现。
相联存储器的每一个存储块都具有额外的存储信息，称为标签(Tag)。
当访问相联存储器时，将地址和每一个标签同时进行比较，从而对标签相同的存储块进行访问。
Cache的3种基本结构如下：1、全相联Cache。
地址映象规则：主存的任意一块可以映象到Cache 中的任意一块(1) 主存与缓存分成相同大小的数据块。
(2) 主存的某一数据块可以装入缓存的任意一块空间中。
全相联方式的对应关系如下图所示。
如果Cache的块数为C b，主存的块数为M b，则映象关系共有C b×M b种。
在全相联Cache中，存储的块与块之间，以及存储顺序或保存的存储器地址之间没有直接的关系。
程序可以访问很多的子程序、堆栈和段，而它们是位于主存储器的不同部位上。
因此，Cache保存着很多互不相关的数据块，Cache必须对每个块和块自身的地址加以存储。
当请求数据时，Cache控制器要把请求地址同所有地址加以比较，进行确认。
这种Cache结构的主要优点是，它能够在给定的时间内去存储主存器中的不同的块，命中率高；缺点是每一次请求数据同Cache中的地址进行比较需要相当的时间，速度较慢，成本高，因而应用少。
2、直接映像Cache。
地址映象规则：主存储器中一块只能映象到Cache的一个特定的块中。
(1) 主存与缓存分成相同大小的数据块。
(2) 主存容量应是缓存容量的整数倍，将主存空间按缓存的容量分成区，主存中每一区的块数与缓存的总块数相等。
(3) 主存中某区的一块存入缓存时只能存入缓存中块号相同的位置。
直接相联映象规则如下图直接映像Cache不同于全相联Cache，地址仅需比较一次。
在直接映像Cache中，由于每个主存储器的块在Cache中仅存在一个位置，因而把地址的比较次数减少为一次。
其做法是，为Cache中的每个块位置分配一个索引字段，用Tag字段区分存放在Cache位置上的不同的块。
单路直接映像把主存储器分成若干页，主存储器的每一页与Cache存储器的大小相同，匹配的主存储器的偏移量可以直接映像为Cache偏移量。
Cache的Tag 存储器(偏移量)保存着主存储器的页地址(页号)。
以上可以看出，直接映像Cache优于全相联Cache，能进行快速查找，其缺点是当主存储器的组之间做频繁调用时，Cache控制器必须做多次转换。
3.组相联映象方式组相联的映象规则：(1) 主存和Cache按同样大小划分成块。
(2) 主存和Cache按同样大小划分成组。
(3) 主存容量是缓存容量的整数倍，将主存空间按缓冲区的大小分成区，主存中每一区的组数与缓存的组数相同。
(4) 当主存的数据调入缓存时，主存与缓存的组号应相等，也就是各区中的某一块只能存入缓存的同组号的空间内，但组内各块地址之间则可以任意存放，即从主存的组到Cache的组之间采用直接映象方式；在两个对应的组内部采用全相联映象方式。
下图示出了组相联的映象关系，图中缓存共分Cg个组，每组包含有Gb块；主存是缓存的Me倍，所以共分有Me个区，每个区有Cg组，每组有Gb块。
那么，主存地址格式中应包含4个字段：区号、区内组号、组内块号和块内地址。
而缓存中包含3个字段：组号、组内块号、块内地址。
主存地址与缓存地址的转换有两部分，组地址是按直接映象方式，按地址进行访问，而块地址是采用全相联方式，按内容访问。
组相联Cache是介于全相联Cache和直接映像Cache之间的一种结构。
这种类型的Cache使用了几组直接映像的块，对于某一个给定的索引号，可以允许有几个块位置，因而可以增加命中率和系统效率。
优点：块的冲突概率比较低，块的利用率大幅度提高，块失效率明显降低。
缺点：实现难度和造价要比直接映象方式高。
二、Cache的工作原理及技术实现1、读取顺序CPU要读取一个数据时，首先从Cache中查找，如果找到就立即读取并送给CPU处理；如果没有找到，就用相对慢的速度从内存中读取并送给CPU处理，同时把这个数据所在的数据块调入Cache中，可以使得以后对整块数据的读取都从Cache中进行，不必再调用内存。
正是这样的读取机制使CPU读取Cache的命中率非常高（大多数CPU 可达90%左右），也就是说CPU下一次要读取的数据90%都在Cache中，只有大约10%需要从内存读取。
这大大节省了CPU直接读取内存的时间，也使CPU读取数据时基本无需等待。
总的来说，CPU读取数据的顺序是先Cache后内存。
2、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高速缓冲存储器Cache，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。
这对提高程序的运行速度有很大的作用。
系统正是依据此原理，不断地将与当前指令集相关联的一个不太大的后继指令集从内存读到Cache，然后再与CPU高速传送，从而达到速度匹配。
CPU对存储器进行数据请求时，通常先访问Cache。
由于局部性原理不能保证所请求的数据百分之百地在Cache中，这里便存在一个命中率。
即CPU在任一时刻从Cache中可靠获取数据的几率。
命中率越高，正确获取数据的可靠性就越大。
一般来说，Cache的存储容量比主存的容量小得多，但不能太小，太小会使命中率太低；也没有必要过大，过大不仅会增加成本，而且当容量超过一定值后，命中率随容量的增加将不会有明显地增长。
只要Cache的空间与主存空间在一定范围内保持适当比例的映射关系，Cache的命中率还是相当高的。
一般规定Cache与内存的空间比为4：1000，即128kB Cache可映射32MB内存；256kB Cache可映射64MB内存。
在这种情况下，命中率都在90％以上。
至于没有命中的数据，CPU只好直接从内存获取。
获取的同时，也把它拷进Cache，以备下次访问。
3、缓存分类前面是把Cache作为一个整体来考虑的，现在要分类分析了。
Intel 从Pentium开始将Cache分开，通常分为一级高速缓存L1和二级高速缓存L2。
在以往的观念中，L1 Cache是集成在CPU中的，被称为片内Cache。
在L1中还分数据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，而且两个Cache可以同时被CPU访问，减少了争用Cache所造成的冲突，提高了处理器效能。
在P4处理器中使用了一种先进的一级指令Cache——动态跟踪缓存。
它直接和执行单元及动态跟踪引擎相连，通过动态跟踪引擎可以很快地找到所执行的指令，并且将指令的顺序存储在追踪缓存里，这样就减少了主执行循环的解码周期，提高了处理器的运算效率。
以前的L2 Cache没集成在CPU中，而在主板上或与CPU集成在同一块电路板上，因此也被称为片外Cache。
但从PⅢ开始，由于工艺的提高L2 Cache被集成在CPU内核中，以相同于主频的速度工作，结束了L2 Cache 与CPU大差距分频的历史，使L2 Cache与L1 Cache在性能上平等，得到更高的传输速度。
L2Cache只存储数据，因此不分数据Cache和指令Cache。
在CPU核心不变化的情况下，增加L2 Cache的容量能使性能提升，同一核心的CPU 高低端之分往往也是在L2 Cache上做手脚，可见L2 Cache的重要性。