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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）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、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。
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。
