CaChe的基本原理

news2024/12/25 13:27:14

目录

一、Cache的定义与结构

二、Cache的工作原理

三、Cache的映射与替换策略

四、Cache的写操作处理


Cache,即高速缓冲存储器,是计算机系统中位于CPU与主存之间的一种高速存储设备。它的主要作用是提高CPU对存储器的访问速度,从而优化系统性能。

一、Cache的定义与结构

Cache由静态存储芯片(SRAM)组成,其容量相对较小但速度远高于主存,接近于CPU的速度。Cache的功能是存放那些近期需要运行的指令与数据,以便CPU能够更快地访问到这些数据。Cache与主存都分成块,每块由多个字节组成,且块大小相等。在一个时间段内,Cache的某块中放着主存某块的全部信息,即Cache的某一块是主存某块的副本(或叫映像)。

Cache主要由存储体、地址转换部件和替换部件三部分组成:

  • 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。

二、Cache的工作原理

Cache的工作原理基于局部性原理,即程序在执行过程中,经常访问的数据往往集中在某个局部范围内。因此,Cache将这部分数据存储在高速缓存中,以便处理器能够更快地访问到这些数据。

当CPU需要访问数据时,首先会检查Cache中是否存在所需数据。这个检查过程称为Cache访问。Cache访问的结果有两种可能:

  • 命中:如果数据在Cache中,则CPU直接从Cache中读取数据,无需访问主存,从而大大提高了数据访问速度。
  • 未命中:如果数据不在Cache中,则CPU需要从主存中读取数据,并将其存储到Cache中,以便下次访问时能够更快地获取。这个过程称为Cache缺失处理。

三、Cache的映射与替换策略

Cache的映射方式决定了主存块在Cache中的存放位置。常见的映射方式有直接映射、全相联映射和组相联映射三种:

  • 直接映射:一个主存块只能映射到Cache中的一个特定位置。这种映射方式简单且成本低,但不够灵活,可能导致Cache利用率不高。
  • 全相联映射:一个主存块可以映射到Cache中的任意位置。这种映射方式灵活且Cache利用率高,但实现复杂且成本较高。
  • 组相联映射:介于直接映射和全相联映射之间的一种折中方案。Cache被分成多个组,每个组内的块可以全相联映射,而组间则采用直接映射。

在Cache已满时,需要按照一定的替换策略将旧块替换出去。常见的替换策略有随机替换策略、最近最少使用(LRU)替换策略和先进先出(FIFO)替换策略等。

四、Cache的写操作处理

当CPU需要写入数据时,也会先写入Cache,然后再由Cache同步更新到主存中。这个过程中有两种处理方式:

  • 写回法:暂时只向Cache写入数据,并用标志注明。直到这个块被从Cache中替换出来时,才一次写入主存。
  • 写直达法:每次写入Cache的同时也写入主存。

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