Cache技术--OSCache

一、简介

Cache是一种用于提高系统响应速度、改善系统运行性能的技术。尤其是在Web

应用中，通过缓存页面的输出结果，可以很显著的改善系统运行性能。

OSCache标记库由OpenSymphony设计，它是一种开创性的缓存方案，它提供了在现有JSP页面之内实现内存缓存的功能。OSCache是个一个被广泛采用的高性能

的J2EE缓存框架，OSCache还能应用于任何Java应用程序的普通的缓存解决方案。

OSCache是当前运用最广的缓存方案，JBoss,Hibernate,Spring等都对其有支持。

Oscache的使用非常方便，特别是jsp cache用的非常广泛。Oscache的文档中也对jsp cache tag的配置有详细说明。相关内容请参考 OSCache 的

在线文档

对使用Cache的测试结论：

使用cache，随着循环的增多，用时增长较缓慢，而不使用cache基本是等比例增长。

在循环次数较多时，使用cache cpu利用率显著提高，能达到90％以上。不使用cache 则只能上到50%左右，更多是在等待数据库返回结果。所以使用cache能大大减轻

数据库的压力，提高应用服务器的利用率，符合我们对应用服务器进行水平扩展的

要求。

二、OSCache的特点和主要特征

（一）、OSCache有以下特点

1、缓存任何对象：你可以不受限制的缓存部分jsp页面或HTTP请求，任何java对象

都可以缓存。

2、拥有全面的API：OSCache API允许你通过编程的方式来控制所有的OSCache特性。

3、永久缓存：缓存能被配置写入硬盘，因此允许在应用服务器的多次生命周期间缓存

创建开销昂贵的数据。

4、支持集群：集群缓存数据能被单个的进行参数配置，不需要修改代码。

5、缓存过期：你可以有最大限度的控制缓存对象的过期，包括可插入式的刷新策略（如

果默认性能不能满足需要时）。

（二）、主要特征

1.兼容多种支持JSP的web服务器

已经通过兼容测试的web服务器包括OrionServer (1.4.0或者以上版本) 、Macromedia JRun (3.0或者以上版本) 、BEA Weblogic (7.x或者以上版本) 、IBM Websphere (5.0版本)、Silverstream (3.7.4版本)、Caucho Resin (1.2.3或者以上版本)、Tomcat (4.0或者以上版本) ，其他支持servlet2.3、jsp1.2的web服务器应该都是完全兼容OSCache的。

2.可选的缓存区

你可以使用内存、硬盘空间、同时使用内存和硬盘或者提供自己的其他资源（需要自己提供适配器）作为缓存区。

使用内存作为缓存区将可以提供更好的性能

使用硬盘作为缓存区可以在服务器重起后迅速恢复缓存内容

同时使用内存和硬盘作为缓存区则可以减少对内存的占用

3.灵活的缓存系统

OSCache支持对部分页面内容或者对页面级的响应内容进行缓存，编程者可以根据不同的需求、不同的环境选择不同的缓存级别。

4.容错

在一般的web应用中，如果某个页面需要和数据库打交道，而当客户请求到达时，web应用和数据库之间无法进行交互，那么将返回给用户"系统出错"或者类似的提示信息，如果使用了OSCache的话，你可以使用缓存提供给用户，给自己赢

得维护系统或者采取其他补救的时间。

其它特性还包括对集群的支持、缓存主动刷新等特性，大家可以参考OpenSymphony网站上的其他资源获取更多的信息。

三、OSCache使用指南

一、下载安装

OSCache是一个基于web应用的组件，他的安装工作主要是对web应用进行配置，大概的步骤如下：

1. 下载、解压缩OSCache

从http://www.opensym https://www.wendangku.net/doc/0e15581707.html,/oscache/download.html下载合适的OSCache版本，解压缩下载的文件到指定目录。

2、新建立一个web应用

3、将OSCache集成到web项目当中。

（1）从解压缩目录取得oscache.jar 文件放到/WEB-INF/lib 或相应类库目录中，jar文件名可能含有版本号和该版本的发布日期信息等。

（2）将oscache.properties、oscache.tld放入WEB-INF\class目录（确切说是放在项目的src目录下，编译的时候会自动生成在WEB-INF\class目录）。

（3）配置项目对应的oscache.properties参数信息。

（4）具体使用

A、缓存对象：直接调用API的接口即可（详见[Java]用OSCache进行缓存对象）

B、部分页面缓存：使用OSCache提供的taglib（修改web.xml文件，在web.xml 文件中增加下面的内容，增加对OSCache提供的taglib的支持：

oscache

/WEB-INF/classes/oscache.tld

或者在jsp页面使用以下标签

<%@ taglib uri="/WEB-INF/classes/oscache.tld"

prefix="cache"%>）

C、整个页面的缓存：用CashFilter实现页面级缓存，可缓存单个文件、缓存URL pattern和自己设定缓存属性的缓存。

CacheFilter

com.opensymphony.oscache.web.filter.CacheFilter

time

600

scope

session

CacheFilter

*.jsp

[注] 只有客户访问时返回http头信息中代码为200（也就是访问已经成功）的页面信息才能够被缓存

4、配置日志输出信息。

二、oscache.properties 文件配置向导

oscache.properties 中的配置项详解:

1、cache.memory：

是否使用内存缓存; true 或false。默认为true; 如设置为false，那cache 只能缓存到数据库或硬盘中。

2、cache.capacity

缓存的最大数量。默认是不限制，cache不会移走任何缓存内容。负数被视不限制。

3、cache.algorithm

运算规则。为了使用规则，cache的size必须是指定的。

如果cache的size不指定的话, 将不会限制缓存对象的大小。如果指定了cache的size，但不指定algorithm，那它会默认使

用:com.opensymphony.oscache.base.algorithm.LRUCache

有下面三种规则：

*com.opensymphony.oscache.base.algorithm.LRUCache:

last in first out(最后插入的最先调用)。默认选项。

*com.opensymphony.oscache.base.algorithm.FIFOCache:

first int first out(最先插入的最先调用)。

*com.opensymphony.oscache.base.algorithm.UnlimitedCache :

cache中的内容将永远不会被丢弃。

如果cache.capacity不指定值的话，它将被设为默认选项。

4、cache.blocking

是否同步。true 或者false。一般设为true，避免读取脏数据。

5、cache.unlimited.disk

指定硬盘缓存是否要作限制。默认值为false。false的状况下，disk cache capacity 和cache.capacity的值相同。

6、cache.persistence.class

指定类是被持久化缓存的类。class必须实现PersistenceListener接口。

作为硬盘持久，可以实现

com.opensymphony.oscache.plugins.diskpersistence.HashDiskPersistenceList ener接口。

它把class的toString()输出的hash值作为文件的名称。如果你要想文件名易读些（自己设定），DiskPersistenceListener 的父类也能使用，但其可能有非法字符或者过长的名字。

注意：HashDiskPersistenceListener 和DiskPersistenceListener 需要设定硬盘路径：cache.path

7、cache.path

指定硬盘缓存的路径。目录如果不存在将被建立。同时注意oscache 应该要有权限写文件系统。

例:

cache.path=c:\\myapp\\cache

cache.path=/opt/myapp/cache

8、cache.persistence.overflow.only (NEW! Since 2.1)

指定是否只有在内存不足的情况下才使用硬盘缓存。

默认值false。但推荐是true如果内存cache被允许的话。这个属性彻底的改变了cache的行为，使得persisted cache和memory是完全不同。

9、cache.event.listeners

class名列表(用逗号隔开)。每个class必须实现以下接口中的一个或者几个

CacheEntryEventListener：接收cache add/update/flush and remove事件CacheMapAccessEventListener ：接收cache访问事件。这个可以让你跟踪cache怎么工作。

默认是不配置任何class的。当然你可以使用一下的class：

*com.opensymphony.oscache.plugins.clustersupport.BroadcastingCacheEvent Listener : 分布式的监听器。可以广播到局域网内的其他cache实例。

* com.opensymphony.oscache.extra.CacheEntryEventListenerImpl :一个简单的监听器。在cache的生命周期中记录所有entry的事件。

* com.opensymphony.oscache.extra.CacheMapAccessEventListenerImpl : 记录count of cache map events（cache hits，misses and state hits）.

10、cache.key

在application 和session的作用域时用于标识cache 对象的, 用于ServletCacheAdministrator;此属性不是指定为"__oscache_cache"格式时为

默认值, 如果代码中需要用到默认值时可以通使用

com.opensymphony.oscache.base.Const.DEFAULT_CACHE_KEY 来取得;

11、https://www.wendangku.net/doc/0e15581707.html,e.host.domain.in.key

当配置多个服务器时,想通过服备器名称自动生成cache key时,可将此属性设为true. 默认值为false;

12、Additional Properties

在以上基础选项之上可以加入一些额外的属性到此文件中.

例: JavaGroupsBroadcastingListener 便是额外的.

13、cache.cluster.multicast.ip

用于缓存集群. 默认为231.12.21.132

14、cache.cluster.properties

指集群中的额外配置项. 以下是默认设置:(此属性的相关说将在集群文档中说明)

UDP(mcast_addr=231.12.21.132;mcast_port=45566;ip_ttl=32;\

mcast_send_buf_size=150000;mcast_recv_buf_size=80000):\

PING(timeout=2000;num_initial_members=3):\

MERGE2(min_interval=5000;max_interval=10000):\

FD_SOCK:VERIFY_SUSPECT(timeout=1500):\

pbcast.NAKACK(gc_lag=50;retransmit_timeout=300,600,1200,2400,4800;ma x_xmit_size=8192):\

UNICAST(timeout=300,600,1200,2400):\

pbcast.STABLE(desired_avg_gossip=20000):\

FRAG(frag_size=8096;down_thread=false;up_thread=false):\

pbcast.GMS(join_timeout=5000;join_retry_timeout=2000;shun=false;print_lo cal_addr=true)

三、OSCache的基本用法（缓存JSP页面中部分）（一）：Cache-OSCache提供的缓存标签

这是OSCache提供的标签库中最重要的一个标签，包括在标签中的内容将应用缓存机制进行处理，处理的方式将取决于编程者对cache标签属性的设置。

第一次请求到达时，标签中的内容被处理并且缓存起来，当下一个请求到达时，缓存系统会检查这部分内容的缓存是否已经失效，主要是以下几项：

1. 缓存时间超过了cache标签设置的time或者duration属性规定的超时时间

2. cron属性规定的时间比缓存信息的开始时间更晚

3. 标签中缓存的内容在缓存后又被重新刷新过

4. 其他缓存超期设定

如果符合上面四项中的任何一项，被缓存的内容视为已经失效，这时被缓存的内容将被重新处理并且返回处理过后的信息，如果被缓存的内容没有失效，那么返回给用户的将是缓存中的信息。

cache标签的属性说明:

key - 标识缓存内容的关键词。在指定的作用范围内必须是唯一的。默认的key是被访问页面的URI和后面的请求字符串。

你可以在同一个页面中使用很多cache标签而不指定他的key属性，这种情况下系统使用该页面的URI和后面的请求字符串，另外再自动给这些key增加一个索引值来区分这些缓存内容。但是不推荐采用这样的方式。

scope - 缓存发生作用的范围，可以是application或者session time - 缓存内容的时间段，单位是秒，默认是3600秒，也就是一个小时，如果设定一个负值，那么这部分被缓存的内容将永远不过期。

duration - 指定缓存内容失效的时间，是相对time的另一个选择，可以使用简单日期格式或者符合USO-8601的日期格式。如：duration=''PT5M'' duration=''5s''等

refresh - false 或者true。

如果refresh属性设置为true，不管其他的属性是否符合条件，这部分被缓存的内容都将被更新，这给编程者一种选择，决定什么时候必须刷新。

mode - 如果编程者不希望被缓存的内容增加到给用户的响应中，可以设置mode属性为"silent"

其它可用的属性还包括：cron 、groups、language、refreshpolicyclass、refreshpolicyparam。

上面的这些属性可以单独使用，也可以根据需要组合使用，下面的例子将讲解这些常用属性的使用方式。

（二） Cache标签实例分析:

1. 最简单的cache标签用法

使用默认的关键字来标识cache内容，超时时间是默认的3600秒

<% //自己的JSP代码内容%>

2. 用自己指定的字符串标识缓存内容，并且设定作用范围为

session。

<% //自己的JSP代码内容%>

3.动态设定key值，使用自己指定的time属性设定缓存内容的超时

时间，使用动态refresh值决定是否强制内容刷新。

因为OSCache使用key值来标识缓存内容，使用相同的key值将会被认为使用相同的的缓存内容，所以使用动态的key值可以自由的根据不同的角色、不同的要求决定使用不同的缓存内容。

time="1800" refresh="<%= needRefresh %>">

<% //自己的JSP代码内容%>

4. 设置time属性为负数使缓存内容永不过期

<% //自己的JSP代码内容%>

5. 使用duration属性设置超期时间

<% //自己的JSP代码内容%>

6. 使用mode属性使被缓存的内容不加入给客户的响应中

<% //自己的JSP代码内容%>

四、缓存过滤器CacheFilter

用CashFilter实现页面级缓存

在OSCache组件中提供了一个CacheFilter用于实现页面级的缓存，主要用于对web应用中的某些动态页面进行缓存，尤其是那些需要

生成pdf格式文件/报表、图片文件等的页面，不仅减少了数据库的交互、减少数据库服务器的压力，而且对于减少web服务器的性能消耗有很显

著的效果。

这种功能的实现是通过在web.xml中进行配置来决定缓存哪一个或者一组页面，而且还可以设置缓存的相关属性，这种基于配置文件的实现方式对于J2EE来说应该是一种标准的实现方式了。

[注] 只有客户访问时返回http头信息中代码为200（也就是访问已经成功）的页面信息才能够被缓存

1. 缓存单个文件

修改web.xml，增加如下内容，确定对/testContent.jsp页面进行缓存。

CacheFilter

com.opensymphony.oscache.web.filter.Cache Filter

CacheFilter

/testContent.jsp

2. 缓存URL pattern

修改web.xml，增加如下内容，确定对*.jsp页面进行缓存。

CacheFilter

com.opensymphony.oscache.web.filter.Cache Filter

CacheFilter

*.jsp

3. 自己设定缓存属性

在页面级缓存的情况下，可以通过设置CacheFilter的初始属性来决定缓存的一些特性：time属性设置缓存的时间段，默认为3600秒，可

以根据自己的需要只有的设置，而scope属性设置，默认为application，可选项包括application、session

CacheFilter

com.opensymphony.oscache.web.filter.Cache Filter

time

600

scope

session

CacheFilter

*.jsp

五、缓存对象

第三部分：Demo

一、对象缓存

1、Cache操作类

import java.util.Date;

import com.opensymphony.oscache.base.NeedsRefreshException;

import

com.opensymphony.oscache.general.GeneralCacheAdministrator;

public class BaseCache extends GeneralCacheAdministrator {

private int refreshPeriod; //过期时间(单位为秒);

private String keyPrefix; //关键字前缀字符;

private static final long serialVersionUID =

-4397192926052141162L;

public BaseCache(String keyPrefix,int refreshPeriod){ super();

this.keyPrefix = keyPrefix;

this.refreshPeriod = refreshPeriod;

}

//添加被缓存的对象;

public void put(String key,Object value){

this.putInCache(this.keyPrefix+"_"+key,value);

}

//删除被缓存的对象;

public void remove(String key){

this.flushEntry(this.keyPrefix+"_"+key);

}

//删除所有被缓存的对象;

public void removeAll(Date date){

this.flushAll(date);

}

public void removeAll(){

this.flushAll();

}

//获取被缓存的对象;

public Object get(String key) throws Exception{

try{

return

this.getFromCache(this.keyPrefix+"_"+key,this.refreshPeriod); } catch (NeedsRefreshException e) {

this.cancelUpdate(this.keyPrefix+"_"+key);

throw e;

}

}

}

2、Cache管理类

public class CacheManager {

private BaseCache newsCache;

private static CacheManager instance;

private static Object lock = new Object();

private CacheManager() {

//这个根据配置文件来，初始BaseCache而已;

newsCache = new BaseCache("news",120);

}

public static CacheManager getInstance(){

if (instance == null){

synchronized( lock ){

if (instance == null){

instance = new CacheManager();

}

}

}

return instance;

}

public void putUser(User news)

{ newsCache.put(news.getId()+"",news); }

public void removeUser(String newsID)

{ newsCache.remove(newsID); }

public User getUser(int newsID) {

try {

return (User) newsCache.get(newsID+"");

} catch (Exception e) {

System.out.println("getNews>>newsID["+newsID+"]>>"+e.getMessage ());

User news = new User(newsID);

this.putUser(news);

return news;

}

}

public void removeAllNews() {

newsCache.removeAll();

}

}

3、对象Bean

public class User {

private int id;

private String name;

private String sex;

private int age;

private Date accessTime; public User(int id) {

super();

this.id = id;

this.accessTime = new Date(System.currentTimeMillis());

}

public String toString() {

return "User info is : id=" + id + " accessTime="

+ accessTime.toString();

}

public User(String name, String sex, int age) {

super();

https://www.wendangku.net/doc/0e15581707.html, = name;

this.sex = sex;

this.age = age;

}

public User() {

}

public int getAge() {

return age;

}

public void setAge(int age) {

this.age = age;

}

public String getName() {

return name;

}

public void setName(String name) {

https://www.wendangku.net/doc/0e15581707.html, = name;

}

public String getSex() {

return sex;

}

public void setSex(String sex) {

this.sex = sex;

}

public int getId() {

return id;

}

public void setId(int id) {

this.id = id;

}

public Date getAccessTime() {

return accessTime;

}

public void setAccessTime(Date accessTime) { this.accessTime = accessTime;

}

}

4、测试类

public class TestObjectCache {

public static void main(String[] args) { CacheManager cm=CacheManager.getInstance();

TestObjectCache test=new TestObjectCache();

test.print(cm);

}

public void print(CacheManager cm){

User user=null;

for (int i = 0; i < 1000; i++) {

user=cm.getUser(100);

System.out.println("<<"+i+">>: "+user);

if(i==10){

//删除缓存id的对象

cm.removeUser(100+"");

}

if(i==20){

//删除所有缓存的对象

cm.removeAllNews();

}

// 睡眠部分

try {

Thread.sleep(30000);

} catch (Exception e) {

}

}

}

}

第四部分：小结及其引申

缓存是在提升系统响应时常用的一种技术，在系统缓存上通常采用的是有页面缓存、处理缓存和数据缓存这三种具体的类别，应该说这三种缓存在实现上还是稍有不同，尽管底层的缓存实现是一样的。

页面缓存

页面缓存是指对页面中的内容片断进行缓存的方案。比如页面中有一个部分是显示栏目中的内容的，那么就可以缓存这个部分，在进行第二次请求的时候就直接从缓存中取出这部分的内容(其实就是这部分的html 了)，这种情况下，缓存的作用其实非常明显，在典型的action+service+dao 这样的结构中，在采用页面缓存后就意味着不需要经过action、service、dao这些层次的处理了，而是直接就返回了，对于系统响应速度的提升来说是非常明显的。

页面缓存通常采用oscache来进行实现，oscache提供了一个jsp tag，可通过这个tag来包含需要缓存的内容部分，当然，缓存的这个内容部分需要有对服务器的请求或逻辑计算等的，可想而知，去缓存一段静态html 是没有意义的。

其次需要定义缓存的这段内容的key，例如我们要去缓存页面中某个栏目的某页的内容，对于这段内容而言唯一的key就是栏目ID以及当前页数，这样就组成了这段缓存的key了，其实这个部分看起来好像是很简

单，但有些时候会很麻烦，要仔细的想清楚这段内容的唯一的标识的key 到底是什么，^_^，通常的做法其实可以从action中需要获取的参数或service接口的参数来决定....

页面缓存中还需要做的一个步骤就是通知缓存需要更新，页面缓存和其他缓存稍有不同，需要告诉它，这个时候不能再使用缓存中的内容了，需要从后台再重新获取来生成新的缓存内容，这个其实很简单，因为很难在后台发生变化的时候自己来更新缓存的内容，只能是去通知它，然后让它再次发起请求来生成新的内容放入缓存中。

页面的缓存的使用对于系统的响应速度确实会有很大的提升，在实现页面缓存时最麻烦的主要是缓存的key的定义以及缓存更新的通知，缓存key的定义这个自然框架是没法解决的，不过缓存更新的通知其实在框架中可以考虑一种通知模型的，^_^，就像事件通知那样........在实际的项目中，可以自己去实现一个这样的通知模型或者就是简单的采用单例方式来标识某个key是否需要更新。

页面缓存在实际的项目中使用非常的多。

处理缓存

处理缓存是指对于action、service、dao或者系统层次中的某方法进行缓存，说直接点，就是对某个类的某个方法的结果做缓存，这样在下次进行完全相同的请求的时候就可以直接取缓存了，这种响应速度的提升也是非常明显的。

处理缓存在现在的情况下其实采用任务的缓存工具包都可以实现，如oscache、ehcache、jbosscache等，但目前还没有处理缓存框架的出现，这个和处理缓存是否应该存在的意义也是有关系的，处理缓存框架要做到的其实就像拦截一样的方式，和oscache tag类似。

同样，处理缓存的麻烦也在于怎么样去定义这个key，很多情况下可以根据方法的输入作为key，方法的输出作为key的值，但也会有其他一些复杂的情况，这个时候定义key就会变得复杂些了。

处理缓存同样有通知更新缓存的情况，和页面缓存基本是一样的。

应该说，处理缓存和页面缓存非常的相似，从实现上来说基本是完全一致的，在使用上来讲处理缓存使用的好像不多。

数据缓存

数据缓存估计大家都很熟悉，就是对系统的数据进行缓存的方式，典型的就是Hibernate的一级、二级数据缓存。

数据缓存在实现上如果是用hibernate的话更多的是直接使用hibernate 的一级、二级以及查询缓存，如果自己要实现的话可以去参考hibernate 的实现机制。

数据缓存的key在一级、二级缓存中采用的都是数据的标识键的值的方式，查询缓存采用的是查询参数、查询语句的方式。

数据缓存的更新则是hibernate在进行存储时直接更新缓存的内容，而对于查询缓存则是采用全部直接清除的方式，这样在下次进行查询时自然会重新去查询，^_^，大家可能会想，为什么页面缓存和处理缓存不采用这样的方式来实现缓存的更新，稍微想想就知道了，在后台发生改变的时候其实是不知道需要移除哪些key的，所以hibernate为了避免这个麻烦，采用的就是当数据一旦发生改变的时候就清除全部的查询缓存，而不是只去清除相关的缓存，其实这里可以采用一种订阅式的模型，呵呵，当然，也增加了框架的复杂度。

数据缓存使用的应该是最多的，效果也是很明显的。

以上三种缓存是目前缓存实现时通常碰到的三种状况，里面按使用的多少来排序应该是：数据缓存、页面缓存和处理缓存；实现的难度上从难到易的顺序应该是：处理缓存、页面缓存、数据缓存；对于系统响应速度提升的效果来说从最好到好的顺序应该是：页面缓存、处理缓存、数据缓存。

补充部分：

在SSH项目应用中，可以以对象的形式来缓存展现给用户的数据信息。对象的缓存要充分利用分组带来的好处（可以分组删除被缓存的对象），这样在执行数据库的CUD操作时，可以调用删除相应组别的缓存对象。

示例代码：

private CacheManager cm;

private final static String CACHE_KEY_SUB="RetJobs";

public JobAction() {

//获取缓存管理对象

cm = CacheManager.getInstance();

}

查询部分

page=(Page)(cm.get(CACHE_KEY_SUB+"_"+currentPage));

if(page==null){

//--------------------需要缓存对象部分

-----------------------

page = retJobBaseModel.getJobs(currentPage, pageSize, statusCondition);

//-------------------------------------------

//缓存对象（含所属分组信息）

cm.put(page, CACHE_KEY_SUB+"_"+currentPage,new String[]{CACHE_KEY_SUB});

}

CUD操作部分

setCacheDisabled(CACHE_KEY_SUB);

private void setCacheDisabled(String group) {

//通过组别信息来删除缓存的对象。

cm.removeObjectByGroup(group);

}

CacheManager 类

public class CacheManager {

private BaseCache newsCache;

private static CacheManager instance;

private static Object lock = new Object();

private CacheManager() {

// 这个根据配置文件来，初始BaseCache而已;

newsCache = new BaseCache("hrms", 300);

}

public static CacheManager getInstance() {

if (instance == null) {

synchronized (lock) {

if (instance == null) {

instance = new CacheManager();

}

}

}

return instance;

}

public void put(Object news,String key,String[] groups) { newsCache.put(key, news,groups);

}

public void remove(String key) {

newsCache.remove(key);

}

public Object get(String key) {

try {

return newsCache.get(key);

} catch (Exception e) {

return null;

}

}

public void removeAll() {

newsCache.removeAll();

}

public void removeObjectByGroup(String group){

newsCache.removeObjectByGroup(group);

}

}

BaseCache 类增加的2个方法如下：

// 添加被缓存的对象;

public void put(String key, Object value,String[] groups) { this.putInCache(this.keyPrefix + "_" + key, value,groups); }

//删除该组的缓存对象

public void removeObjectByGroup(String group){

this.flushGroup(group);

}

Cache实验

Caches实验 杨祯 15281139 实验目的 1.阅读分析附件模拟器代码 2.通过读懂代码加深了解cache的实现技术 3.结合书后习题1进行测试 4.通过实验设计了解参数（cache和block size等）和算法（LRU，FIFO 等）选择的优化配置与组合，需要定性和定量分析，可以用数字或图表等多种描述手段配合说明。 阅读分析模拟器代码

课后习题 stride=132下直接相连映射 1）实验分析 由题意得：cachesize=256B blockinbyte=4*4B Noofblock=256B/16B=16个组数位16 array[0]的块地址为0/4=0 映射到cache的块号为0%16=0 array[132]的块地址为132/4=33 映射到cache的块号为33%16=1

第一次访问cache中的0号块与1号块时，会发生强制性失效，之后因为调入了cache中，不会发生失效，所以 misscount=2 missrate=2/(2*10000)=1/10000 hitcount=19998 hitrate=9999/10000 实验验证

stride=131下直接相连映射 实验分析 由题意得：cachesize=256B blockinbyte=4*4B Noofblock=256B/16B=16个组数位16 array[0]的块地址为0/4=0 映射到cache的块号为0%16=0 array[131]的块地址为131/4=32 映射到cache的块号为32%16=0 第一次访问cache中的0号时，一定会发生强制性失效，次数为1；之后因为cache中块号为0的块不断地被替换写入，此时发生的是冲突失效，冲突失效次数为19999， 则发生的失效次数为19999+1=20000 所以 misscount=20000 missrate=20000/(2*10000)=1

现代cache技术的研究 课程设计报告

计算机组成与体系结构课程设计报告题目：现代计算机cache技术的研究 学生姓名：谱 学号： 10204102 班级：10204102 指导教师：谌洪茂 2013 年1月6日

摘要 随着集成电路制造技术的持续发展,芯片的集成度和工作速度不断增加,功耗密度显著增大,功耗已经成为计算机系统设计中与性能同等重要的首要设计约束。在现代计算机系统中,处理器速度远远高于存储器速度,Cache作为处理器与主存之间的重要桥梁,在计算机系统的性能优化中发挥着重要作用,但Cache也占据着处理器的大部分能耗。处理器及其Cache存储器是整个计算机系统能耗的主要来源,降低其能耗对于优化计算机系统,特别是嵌入式系统,有着重要的意义。本文主要研究体系结构级的低能耗技术,利用优化Cache结构和动态电压缩放两种技术来实现处理器及其Cache的低能耗。本文首先详细地分析了低能耗Cache技术的研究现状,将该技术总结为基于模块分割的方法、基于路预测的方法、添加一级小Cache的方法、优化标识比较的方法和动态可重构Cache的方法等五大类,并在此基础上,提出了带有效位预判的部分标识比较Cache、带有效位判别的分离比较Cache、基于程序段的可重构Cache等三种Cache结构。然后从不同的实现层面分析比较了现有的电压缩放技术及其缩放算法,提出了一种基于程序段的动态电压缩放算法。最后结合可重构Cache和动态电压缩放技术,提出了一种基于程序段的可重构Cache及处理器电压自适应算法。本文通过仿真实验证明了上述几种方法的有效性。本文所取得的研究成果主要有: 1.一种带有效位预判的部分标识比较Cache(PTC-V Cache)。组相联Cache实现了高命中率,但同时也带来了更多的能耗。本文针对组相联Cache,提出了一种带有效位预判的部分标识比较Cache,它能够有效地节省Cache中信号放大器和位线的能耗。结果表明,PTC-V Cache平均能够节省指令Cache中约55%的能耗。 2.一种带有效位判别的分离比较Cache(SC-V Cache)。该Cache基于路暂停Cache结构,在此基础上,设计了有效位判断和分离标识比较器。它能缩短标识比较的时间,并且减少对无效数据块读取的能耗,以确保同时获得高性能和低能耗。该方案很大程度上节省了路暂停Cache的平均能耗,尤其对于大容量Cache。 3.一种基于程序段的可重构Cache自适应算法PBSTA。该算法使用建立在指令工作集签名基础上的程序段监测状态机来判断程序段是否发生变化,并做出容量调整决定;在程序段内,该算法使用容量调整状态机来指导Cache进行容量调整。与先前的算法相比,该算法不仅有效地降低了Cache存储系统的能耗,而且减少了不必要的重构所带来的性能损失。 4.一种基于程序段的动态电压缩放算法PBVSA。该算法使用程序段监测状态机来判断程序段是否发生变化,并做出CPU电压和频率调整决定,在程序段内,该算法通过计算该程序段的频率缩放因子β(片外工作时间与片上工作时间的比例关系)来设定CPU的电压和频率。结果表明,该算法在保证系统性能的前提下,有效地降低了处理器的能耗。 5.一种基于程序段的可重构Cache 与处理器电压自适应算法CVPBSTA。该算法结合PBSTA算法与PBVSA算法的特点,使用程序段监测状态机来判断程序段是否发生变化,并做出Cache容量及CPU电压和频率的调整决定。在程序段内,该算法采用了与PBSTA相似的Cache容量调整策略和与PBVSA相似的CPU电压和频率调整策略,先后对Cache容量及CPU电压和频率进行调整。结果表明,该算法在保证性能的前提下,更大程度上地节省了系统的能耗。

高速缓冲存储器Cache的工作原理及技术实现

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

cache性能分析实验报告

计算机系统结构实验报告 名称： Cache性能分析学院：信息工程 姓名：陈明 学号：S121055 专业：计算机系统结构年级：研一

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.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； 实验平台 Vmware 虚拟机，redhat 9.0 linux 操作系统，SimpleScalar模拟器 实验步骤 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。 预备知识 1. SimpleScalar模拟器的相关知识。详见相关的文档。 2. 复习和掌握教材中相应的内容 （1）可以从三个方面改进Cache的性能：降低失效率、减少失效开销、减少Cache命中时间。 （2）按照产生失效的原因不同，可以把Cache失效分为三类： ①强制性失效（Compulsory miss）

Cache控制器设计实验

实验3 Cache 控制器设计 1、实验目的 (1)掌握Ｃaｃｈｅ控制器的原理及其设计方法。 (2)熟悉ＦPGＡ应用设计及EＤA 软件的使用。 (３) 熟悉Ｖｉｖaｄo软件的使用及FPGA应用设计。 ２、实验原理 Cachｅ是介于ＣPＵ与主存之间的小容量存储器,包括管理在内的全部功能由硬件实现,对程序员是透明的,在一定程度上解决了ＣＰU与主存之间的速度差异、与主存容量相比,Cac ｈe的容量特不小,它保存的内容只是内存内容的一个子集,且Cａche与主存的数据交互以块为单位、把主存中的块放到Cａcｈe中时必须把主存地址映射到Ｃaｃhｅ中,即确定位置的对应关系,并采纳硬件实现,以便CＰU给出的访存地址能够自动变换成Ｃａcｈe地址。由于程序访问的局部性,使得主存的平均读出时间接近Cacｈe的读出时间,大大提高了CPU的访存效率、 地址映射方式有全相联方式、直截了当相联方式、组相联方式,本实验采纳的是直截了当方式,这种变换方式简单而直截了当,硬件实现特不简单,访问速度也比较快,然而块的冲突率比较高、其主要原则是:主存中一块只能映象到Ｃaｃhｅ的一个特定的块中、假设主存的块号为Ｂ,Cａcｈe的块号为b,则它们之间的映象关系能够表示为:ｂ=B ｍｏd Cb其中,Ｃb是Ｃachｅ的块容量、设主存的块容量为Mｂ,区容量为Me,则直截了当映象方法的关系如图3、19所示。把主存按Ｃａcｈｅ的大小分成区,一般主存容量为Ｃacｈｅ容量的整数倍,主存每一个分区内的块数与Cａcｈe的总块数相等、直截了当映象方式只能把主存各个区中相对块号相同的那些块映象到Cache中同一块号的那个特定块中、例如,主存的块０只能映象到Cacｈe的块0中,主存的块１只能映象到Ｃａchｅ的块1中,同样,主存区１中的块Ｃb(在区1中的相对块号是0)也只能映象到Caｃhe 的块0中、依照上面给出的地址映象规则,整个Ｃacｈe地址与主存地址的低位部分是完全相同的。

数据库系统工程师考试知识点精讲(高速缓冲存储器)

数据库系统工程师考试知识点精讲（高速缓冲存储器） 数据库系统工程师为软考中一门中级资格考试，以下是小编整理的一些数据库系统工程师考试知识点精讲，供大家参考学习。 高速缓冲存储器 Cache的功能是提高CPU数据输入输出的速率，突破所谓的“冯•诺依曼瓶颈”，即CPU与存储系统间数据传送带宽限制。高速存储器能以极高的速率进行数据的访问，但因其价格高昂，如果计算机的内存完全由这种高速存储器组成则会大大增加计算机的成本。通常在CPU和内存之间设置小容量的高速存储器Cache。Cache容量小但速度快，内存速度较低但容量大，通过优化调度算法，系统的性能会大大改善，仿佛其存储系统容量与内存相当而访问速度近似Cache。 1．Cache基本原理 使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理。依据局部性原理，把内存中访问概率高的内容存放在Cache中，当CPU需要读取数据时首先在Cache中查找是否有所需内容，如果有，则直接从Cache中读取；若没有,再从内存中读取该数据，然后同时送往CPU和Cache。如果CPU需要访问的内容大多都能在Cache中找到（称为访问命中），则可以大大提高系统性能。 如果以h代表对Cache的访问命中率(“1-h”称为失效率，或者称为未命中率)，t1表示Cache的周期时间，t2表示内存的周期时间，以读操作为例，使用“Cache+主存储器”的系统的平均周期为t3，则： 计算机硬件基础

系统的平均存储周期与命中率有很密切的关系，命中率的提高即使很小也能导致性能上的较大改善。 例如：设某计算机主存的读/写时间为100ns，有一个指令和数据合一的Cache，已知该Cache的读/写时间为10ns，取指令的命中率为98%，取数的命中率为95%。在执行某类程序时，约有1/5指令需要存/取一个操作数。假设指令流水线在任何时候都不阻塞，则设置Cache后，每条指令的平均访存时间约为： (2%×100ns+98%×10ns)+1/5×(5%×100ns+95%×10ns)=14.7ns 2．映射机制 当CPU发出访存请求后，存储器地址先被送到Cache控制器以确定所需数据是否已在Cache中，若命中则直接对Cache进行访问。这个过程称为Cache 的地址映射（映像）。在Cache的地址映射中，主存和Cache将均分成容量相同的块（页）。常见的映射方法有直接映射、全相联映射和组相联映射。 （1）直接映射。直接映射方式以随机存取存储器作为Cache存储器，硬件电路较简单。直接映射是一种多对一的映射关系，但一个主存块只能够复制到Cache的一个特定位置上去。Cache的块号i和主存的块号j有函数关系： i=j%m（其中m为Cache总块数） 例如，某Cache容量为16KB（即可用14位表示），每块的大小为16B（即可用4位表示），则说明其可分为1024块（可用10位表示）。则主存地址的最低4位为Cache的块内地址，然后接下来的中间10位为Cache块号。如果内存地址为1234E8F8H的话（一共32位），那么最后4位就是1000（对应十六进制数的最后一位“8”），而中间10位，则应从E8F（111010001111）

根据spim的cache实验

汕头大学实验报告 学院: 工学院系: 计算机系专业: 计算机科学与技术年级: 13实验时间: 2015.6.16 姓名: 林子伦学号: 2013101030实验名称：基于SPIM-CACHE的Cache实验 一．实验目的： （1）熟悉SPIM-CACHE模拟器环境 （2）深入认识CACHE的工作原理及其作用。 二．实验内容： （1）阅读实验指导书资料（虚拟教室提供了英文论文的电子版本）； （2）下载SPIM-CACHE软件，理解英文论文的基本内容之后，给出几种典型的cache配置，运行英文论文提供的代码，记录运行时CACHE命中率等重要数据；（3）运行Fig.4代码，了解mapping functions 即映射规则 （4）运行Fig.7代码，了解temporal and spatial locality 即时空局部性，进一步理解cache的工作原理； （5）运行Fig.8代码，运行学习replacement algorithms 即替代算法，理解其工作原理。 三．实验地点，环境 实验地点：软件工程实验室 实验环境： 操作系统：Microsoft Windows 8 中文版 处理器：Intel(R) Core(TM) i3-3120M CPU @ 2.50GHz 2.50GHz 内存： 4.00GB（3.82GB 可用） 四．实验记录及实验分析（80%）： 4.1实验前配置： 1) 按下图配置好Spim设置

2）关于实验中cache设置如下(具体配置根据下面实验要求) ——》 ——》 Cache size ——cache大小 Block size ——块大小 Mapping ——组相连 4.2实验一：fig4.s 实验目的：Algorithm and corresponding code to study mapping functions Cache配置：256-B size, 16-B line size, four-way set associative 实验操作： 1) Ctrl+O 打开运行代码fig4.s 代码如下： .data 0x10000480 Array_A: .word 1,1,1,1,2,2,2,2 .data 0x10000CC0 Array_B: .word 3,3,3,3,4,4,4,4 .text .globl _start _start: la $2,Array_A li $6,0 li $4,8 loop: lw $5,0($2) add $6,$6,$5 addi $2,$2,4

《计算机体系结构》第六次实验 cache

Cache实验报告姓名：王宇航学号：09283020 安全0901 Cache实验报告 一、实验要求： 1.阅读分析附件模拟器代码 要求：1）读懂2）关键注释3）总结关键参数和算法的实现方法 2.通过读懂代码加深了解cache的实现技术 3.结合书后习题1进行测试 4.通过测试和进行实验设计了解参数和算法选择的特点和相互关系（比较，组合等），需要定性和量化结合说明，可以用数字或图表等多种描述手段配合说明。 二、实验代码： 1. LRU页面置换算法 程序一共有3中模式： Direct_mapped 2 Set_associate 3 Fully_associate 对于第一种，直接映射，显然用不到LRU算法，因为每一个地址在cache中只有一个地方可以去。 对于后两种，组相联映射和全相联映射，就需要用到LRU算法了。 其中，全相联映射等于是只有一个set的Set_associate，而LRU正是用在一个set中，所以，后面两种模式的LRU问题可以归结为一种：一个set中，来了一个没有的页面，需要置换出一个，应该置换出哪一个的问题。 那么，具体过程如下： 1 这个set中的每一个block都有一个lru值，初始为0。 2 每次访问这个set的时候，不管是否命中，这个set中的所有block的lru值都+1。 3 当需要置换出去一个页面的时候，选择一个lru值最大的那个置换出入，用来放入刚刚进来的。 4 不管是否命中，刚刚访问过的，或者加入的那个block的lru值置为0。 if(x

5级流水无cache CPU实验计算机组成原理 课程设计报告

计算机组成原理 课程设计报告 5级流水无cache CPU实验 1.1 实验内容：无cache流水CPU的分析与改造 1.理解无cache流水CPU的工作原理，明确系统总体结构和数据通路图，分析解决各种相关用到的主 要信号，以及详细分析各流水段的功能和实现。 2.将16位的指令系统改为8位，设计新的指令系统，并修改相应的数据通路。 3.修改规则文件(cpu.txt)，并编写测试程序验证系统改造的正确性。 1.2 总体基本信息 1.深刻理解无cache流水cpu的工作原理。在详细分析了各流水段的功能实现、3种相关的产生原因 和解决方法的基础上，完成了以下后续工作。 2.修改指令系统。具体包括： a)16位指令改为8位，重新编写了指令OP码。 b)新增了MOVI指令。由于原指令系统没有将立即数存进指定寄存器的指令，因此此处新增一 条MOVI指令。指令的汇编语句为 MOVI DR, IMM 其中DR为目的寄存器，IMM为立即数。因为指令长度为8位，OP和DR共占了6位，因此IMM 的大小不大于3（即二进制“00”至“11”）。 c)修改及删除了部分指令。此处详见5.1。 3.修改系统控制信号。在保持原有系统逻辑功能基本不变的情况下，修改各个模块里控制信号位数 以及模块接口信号位数以和新的指令系统兼容。 4.增加内存模块。使用vhdl编写了一个ram模块，根据读写信号来选择读写功能。reset时将事先写 好的二进制形式程序写进内存。 5.扩展了常量定义文件。在常量定义文件unitpack.vhd中，具体地： a)新增了ALU功能选择信号常量aluMOVI。 b)新增了寄存器编号常量R0、R1、R2和R3。 c)新增了ram类型。 6.使用Quartus II进行功能仿真并debug。 7.使用bdf构造顶层实体cpum。由于新增了内存模块，而原系统是使用vhdl编写的，为了方便对接， 我们使用bdf的形式将无cache流水线cpu和内存模块连接起来构造顶层实体cpum，“m”的含义是“memory”，即带内存模块的无cache流水线cpu。 8.重画数据通路图。我们使用了Microsoft Visio软件在原有的系统总结结构图的基础上修改并新增 了部分模块，详见2。

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。 (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。 图2.3.4示出了直接相联映象规则。可见，主存中各区内相同块号的数据块都可以分别调入缓存中块号相同的地址中，但同时只能有一个区的块存入缓存。由于主、缓存块号相同，因此，目录登记时，只记录调入块的区号即可。

高速缓冲存储器Cache的原理、设计及实现

高速缓冲存储器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C PU，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（S DRAM）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。 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。这对提高程序的运行速度有很大的作用。这个介于主存和CPU之间的高速小容量存储器称作高速缓冲存储器(Cache)。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。 Cache的基本结构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：全相联Cache 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

Cache模拟器实验报告

Cache模拟器 一、实验目标： 程序运行时，都会对内存进行相关操作，所访问的内存地址可以被记录下来，形成memory trace文件。在本实验中，你将使用benchmark 程序产生的memory trace文件来测试Cache命中率，文件可以在https://www.wendangku.net/doc/0e15581707.html,/classes/fa07/cse240a/proj1-traces.tar.gz上获得。每次存储器访问都包含了三个信息： 1.访问类型，’l’表示Load操作，’s’表示Store操作； 2.地址。采用32位无符号的十六进制表示； 3.存储器访问指令之间的间隔指令数。例如第5条指令和第10条指 令为存储器访问指令，且中间没有其他存储器访问指令，则间隔指令数为4。 通过写一段程序，模拟Cache模拟器的执行过程。 二、实验要求： 写一段程序模拟Cache模拟器的执行过程，并对5个trace文件进行测试，完成以下目标： 1.请统计Load类型指令和Store类型指令在这5个trace文件中的指令比例。 2.设Cache总容量为32KB，对以下所有参数进行组合（共有72种组合），测量相应5个文件的Cache命中率。通过对命中率的分析，可以发现什么规律。

行大小：32字节、64字节、128字节 相连度：8路相联、4路相联、2路相联、1路相联 替换策略：FIFO，随机替换，LRU 写策略：写直达、写回 3. 给出5个文件的最佳Cache命中率的参数组合。针对不同的trace 文件，最佳配置是否相同。 4. 测量各种组合下Cache和主存之间的数据传输量。 5. 给出5个文件的最小数据传输量的参数组合。这个组合和第3问中得到的组合是否一致。针对不同的trace文件，最佳配置是否相同。 6. Cache缺失有三种原因：1）强制缺失；2）容量缺失；3）冲突缺失。分析这三种缺失并说明你的分析方法。 7. 请给出5个trace文件在最优Cache命中率的情况下，这三种缺失所占的比例，并和教材图C.8给出的比例进行比较。 三、程序设计与实现： 本程序我打算采用java进行编写，因为java能够很好地体现面向对象编程的优点。首先需要定义相关的数据类型。 将指令定义为一个单独的指令类，好方便操作和记录统计，其中属性包括该指令的类型，比如是Load指令还是Store指令，还包括指令的地址。 class Instruction { String type; String addrs; }

高速缓冲存储器Cache

高速缓冲存储器cache 10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。有很多方法可用来缓和中央处理器和主存储器之间速度不匹配的矛盾，如采用多个通用寄存器、多存储体交叉存取等，在存储层次上采用高速缓冲存储器也是常用的方法之一。很多大、中型计算机以及新近的一些小型机、微型机也都采用高速缓冲存储器。 高速缓冲存储器的容量一般只有主存储器的几百分之一，但它的存取速度能与中央处理器相匹配。根据程序局部性原理，正在使用的主存储器某一单元邻近的那些单元将被用到的可能性很大。因而，当中央处理器存取主存储器某一单元时，计算机硬件就自动地将包括该单元在内的那一组单元内容调入高速缓冲存储器，中央处理器即将存取的主存储器单元很可能就在刚刚调入到高速缓冲存储器的那一组单元内。于是，中央处理器就可以直接对高速缓冲存储器进行存取。在整个处理过程中，如果中央处理器绝大多数存取主存储器的操作能为存取高速缓冲存储器所代替，计算机系统处理速度就能显著提高。 高速缓存的工作原理 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

基于FPGA的Cache替换算法控制器设计++

状态机的概念 状态机是软件编程中的一个重要概念。比这个概念更重要的是对它的灵活应用。在一个思路清晰而且高效的程序中，必然有状态机的身影浮现。 比如说一个按键命令解析程序，就可以被看做状态机：本来在A状态下，触发一个按键后切换到了B状态；再触发另一个键后切换到C 状态，或者返回到A状态。这就是最简单的按键状态机例子。实际的按键解析程序会比这更复杂些，但这不影响我们对状态机的认识。进一步看，击键动作本身也可以看做一个状态机。一个细小的击键动作包含了：释放、抖动、闭合、抖动和重新释放等状态。 同样，一个串行通信的时序（不管它是遵循何种协议，标准串口也好、I2C也好；也不管它是有线的、还是红外的、无线的）也都可以看做由一系列有限的状态构成。 显示扫描程序也是状态机；通信命令解析程序也是状态机；甚至连继电器的吸合/释放控制、发光管（LED）的亮/灭控制又何尝不是个状态机。 当我们打开思路，把状态机作为一种思想导入到程序中去时，就会找到解决问题的一条有效的捷径。有时候用状态机的思维去思考程序该干什么，比用控制流程的思维去思考，可能会更有效。这样一来状态机便有了更实际的功用。

程序其实就是状态机。 也许你还不理解上面这句话。请想想看，计算机的大厦不就是建立在“0”和“1”两个基本状态的地基之上么？ 状态机的要素 状态机可归纳为4个要素，即现态、条件、动作、次态。这样的归纳，主要是出于对状态机的内在因果关系的考虑。“现态”和“条件”是因，“动作”和“次态”是果。详解如下： ①现态：是指当前所处的状态。 ②条件：又称为“事件”。当一个条件被满足，将会触发一个动作，或者执行一次状态的迁移。 ③动作：条件满足后执行的动作。动作执行完毕后，可以迁移到新的状态，也可以仍旧保持原状态。动作不是必需的，当条件满足后，也可以不执行任何动作，直接迁移到新状态。 ④次态：条件满足后要迁往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的，“次态”一旦被激活，就转变成新的“现态”了。 如果我们进一步归纳，把“现态”和“次态”统一起来，而把“动作”忽略（降格处理），则只剩下两个最关键的要素，即：状态、迁移条件。 状态机的表示方法有许多种，我们可以用文字、图形或表格的形式来表示一个状态机。 纯粹用文字描述是很低效的，所以就不介绍了。接下来先介绍图形的方式。

北科大计组原理实验报告_简单模型机与Cache控制器

北京科技大学计算机与通信工程学院 实验报告 实验名称：简单模型机与Cache控制器 学生姓名： 专业：计算机科学与技术 班级： 学号： 指导教师： 实验成绩： 实验地点：机电楼301 实验时间：2015 年 6 月10 日

一、实验目的与实验要求 1、实验目的 （1）掌握一个简单CPU 的组成原理。 （2）在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造一台基本模型计算机。 （3）为其定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试掌握整机概念。 （4）掌握Cache 控制器的原理及其设计方法。 （5）熟悉FPGA应用设计及EDA 软件的使用。 （6）熟悉QuartusII软件的使用及FPGA应用设计。 2、实验要求 （1）验证性实验：简单模型机设计实验 （2）掌握cache控制器的原理和方法 二、实验设备（环境）及要求 实验箱，Window 8，QuartusⅡ软件 三、实验内容与步骤 1、实验1 （1）实验原理 本实验要实现一个简单的CPU，并且在此CPU的基础上，继续构建一个简单的模型计算机。CPU由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成，如图3.32所示。这个CPU在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU必须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该CPU的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。

本模型机共有五条指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），HLT（停机），其指令格式如下表3.12所示（高4位为操作码）： 其中，JMP为双字节指令，其余均为单字节指令，********为addr对应的二进制地址码。微程序控制器实验的指令是通过手动给出的，现在要求CPU自动从存储器读取指令并执行。

Cache实验设计报告

内蒙古大学 《计算机组成原理》 实验设计报告 设计题目：组合逻辑控制器设计 班级：13软件二班 小组组长：张曦（0131124497） 小组成员：李聪、高浪、沈冲、王佳煜 、罗旭亮 指导老师：刘彩霞

一、实验设计目的： 设计一个指令格式如下图的组合逻辑控制器。 二、实验设计原理及思路： 1、cup 数据通路图如下： ALU AC MM ADD AR DR IR PC SB IB GR (R0,R1) 操作码 8 9 7 0 0：CLA 寻址方式 寄存器编号 直接寻址地址 0：寄存器直接 0：R0 1：R1 1

2、指令微流程图如下： T0:PC-SB,SB-AR,RD T1:DR-SB,SB-IR T2:PC+1 IR(9)=0（CLA)IR(9)=1(ADD) T0:0-AC IR(8)=1 (存储器直接寻址） T0:(IR(0))-SB,SB-ALU.R,AC-ALU.L T1:ADD,ALU.O-AC T0:IR(0-7)-SB,SB-AR,RD T1:DR-SB,SB-ALU.R,AC-ALU.L T2:ADD,ALU.O-AC IR(8)=0 (寄存器直接寻址） 其中微命令如下： PC-SB DR-SB IR(0)-SB IR(0-7)-SB SB-AR SB-IR SB-ALU.R 0-AC ALU.0-AC AC-ALU.L PC+1 RD ADD

3、微命令编码设计 3 2 2 1 1 1 1 4、此地址部分设计： NAC字段：2位 00：顺序；01：无条件跳转；10：指令跳转；11：add寻址方式跳转 NA字段：4位 共9跳微指令所以NA占4位 5、控制存储器存储空间分配：

计算机体系结构cache模拟器实验报告

计算机体系结构—— Cache模拟器实验 实验报告 姓名崔雪莹 学号 班级计科1202班 老师董岚 2015年 06月07日

一、阅读分析附件模拟器代码...............................错误!未定义书签。 1、关键参数.......................................错误!未定义书签。 2、关键算法.......................................错误!未定义书签。 二、课后习题.............................................错误!未定义书签。 1、习题内容.......................................错误!未定义书签。 2、题目分析.......................................错误!未定义书签。 3、计算及结果.....................................错误!未定义书签。 4、模拟器上实验结果检验...........................错误!未定义书签。 三、整体分析.............................................错误!未定义书签。 1、三种映射方式对Cache效率的的影响...............错误!未定义书签。 2、block块大小与Cache容量对Cache效率的影响 .....错误!未定义书签。 3、Cache容量与相连度对Cache效率的影响...........错误!未定义书签。 4、三种失效类型影响因素...........................错误!未定义书签。 四、实验思考和感受.......................................错误!未定义书签。 1、关于模拟器的思考...............................错误!未定义书签。 2、关于整个实验的思考.............................错误!未定义书签。

Cache控制器设计实验

实验3 Cache 控制器设计 1．实验目的 (1) 掌握Cache 控制器的原理及其设计方法。 (2) 熟悉FPGA应用设计及EDA 软件的使用。 (3)熟悉Vivado软件的使用及FPGA应用设计。 2．实验原理 Cache是介于CPU和主存之间的小容量存储器，包括管理在内的全部功能由硬件实现，对程序员是透明的，在一定程度上解决了CPU和主存之间的速度差异。与主存容量相比，Cache的容量很小，它保存的内容只是内存内容的一个子集，且Cache与主存的数据交互以块为单位。把主存中的块放到Cache中时必须把主存地址映射到Cache中，即确定位置的对应关系，并采用硬件实现，以便CPU给出的访存地址能够自动变换成Cache地址。由于程序访问的局部性，使得主存的平均读出时间接近Cache的读出时间，大大提高了CPU的访存效率。 地址映射方式有全相联方式、直接相联方式、组相联方式，本实验采用的是直接方式，这种变换方式简单而直接，硬件实现很简单，访问速度也比较快，但是块的冲突率比较高。其主要原则是：主存中一块只能映象到Cache的一个特定的块中。 假设主存的块号为B，Cache的块号为b，则它们之间的映象关系可以表示为：b = B mod Cb其中，Cb是Cache的块容量。设主存的块容量为Mb，区容量为Me，则直接映象方法的关系如图3.19所示。把主存按Cache的大小分成区，一般主存容量为Cache容量的整数倍，主存每一个分区内的块数与Cache的总块数相等。直接映象方式只能把主存各个区中相对块号相同的那些块映象到Cache中同一块号的那个特定块中。例如，主存的块0只能映象到Cache 的块0中，主存的块1只能映象到Cache的块1中，同样，主存区1中的块Cb（在区1中的相对块号是0）也只能映象到Cache 的块0中。根据上面给出的地址映象规则，整个Cache 地址与主存地址的低位部分是完全相同的。