浅谈高速缓冲存储器

浅谈高速缓冲存储器

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。下面主要谈谈两种高速缓冲存储器、它的作用及发展趋势。一、高速缓冲存储器Cache 我们通常都认为计算机的速度是由CPU决定的,但是还要有其它的硬件或软件来充分发挥它的速度。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,为了弥补这个差距,人们在主存储器和CPU之间设置一种高速缓冲存储器Cache。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。高速缓冲存储器Cache中的数据是主存储器的副本,在程序运行中,当需要取指令或数据时,CPU先检查高速缓冲存储器Cache中是否有内容,若有就从Cache中取出,否则从主存储器取出,这样就充分发挥了CPU的潜力。在486的机种中经常配备高速缓冲存储器Cache,与主存储器相比,它的工作性质是不同的。简单地说,Cache是针对CPU作输入输出动作的,而主存储器是针对总线作输入输出动作的,因此Cache比主存储器的速度快。现在486机型一般配置有256K的Cache,Cache并不是越大越好,一般有256K就足够了。另外,如果机器本身没有配备硬件Cache,可以使用某些工具软件(如PC TOOLS,NORTON等)控制的Cache功能,也能达到同样的效果。二、磁盘高速缓冲存储器SMARTDRV SMARTDRV.EXE是DOS 6.2中的外部设备驱动程序。用此程序可启动或设置磁盘高速缓冲存储器。与

Cache不同,Cache是充分发挥了CPU的速度,而SMAR TDRV是加快了磁盘的读写速度。在实际应用中,SMAR TDRV.EXT高速缓存驱动程序将记住每次应用程序使用磁盘的磁盘扇区数据,不用再访问磁盘驱动器,而是访问内存中已包含这些数据的区域。磁盘高速缓冲存储器SMARTDRV速度比磁盘快得多,但它也使用了一定数量的内存用于存放高速缓存驱动程序和高速缓冲存储器本身。为减少磁盘高速缓存占用内存的数量,磁盘高速缓冲存储器SMARTDRV是建立在扩展内存中的。当使用磁盘高速缓存时,SMARTDRV可以在系统提示符下、AUTOEX-EC.BAT或CONFIG.SYS文件中装入。

读取命中率：CPU在Cache中找到有用的数据被称为命中，当Cache中没有CPU所需的数据时（这时称为未命中），CPU才访问内存。从理论上讲，在一颗拥有2级Cache的CPU中，读取L1Cache 的命中率为80%。也就是说CPU从L1Cache中找到的有用数据占数据总量的80%，剩下的20%从L2Cache读取。由于不能准确预测将要执行的数据，读取L2的命中率也在80%左右（从L2读到有用的数据占总数据的16%）。那么还有的数据就不得不从内存调用，但这已经是一个相当小的比例了。在一些高端领域的CPU（像Intel的Itanium）中，我们常听到L3Cache，它是为读取L2Cache后未命中的数据设计的—种Cache，在拥有L3Cache的CPU中，只有约5%的数据需要从内存中调用，这进一步提高了CPU的效率。

为了保证CPU访问时有较高的命中率，Cache中的内容应该按一定的算法替换。一种较常用的算法是“最近最少使用算法”（LRU算

法），它是将最近一段时间内最少被访问过的行淘汰出局。因此需要为每行设置一个计数器，LRU算法是把命中行的计数器清零，其他各行计数器加1。当需要替换时淘汰行计数器计数值最大的数据行出局。这是一种高效、科学的算法，其计数器清零过程可以把一些频繁调用后再不需要的数据淘汰出Cache，提高Cache的利用率。

高速缓冲存储器的技术发展：总之，在传输速度有较大差异的设备间都可以利用高速缓冲存储器作为匹配来调节差距，或者说是这些设备的传输通道。在显示系统、硬盘和光驱，以及网络通讯中，都需要使用Cache技术。但Cache均由静态RAM组成，结构复杂，成本不菲，使用现有工艺在有限的面积内不可能做得很大，不过，这也正是技术前进的源动力，有需要才有进步!

高速缓冲存储器.

3.7 高速缓冲存储器 高速缓冲存储器的功能是提高CPU数据输入/输出的速率，突破所谓的存储器瓶颈问题，即CPU与存储系统间数据传送带宽限制。高速缓冲存储器能以极高的速率进行数据的访问，但因其价格高昂，所以只在CPU和主存之间添加少量的Cache，利用程序的局部性原理来进行工作。 3.7.1 程序访问的局部性原理 程序访问的局部性有两个方面的含义：时间局部性和空间局部性。时间局部性是指最近的访问项（指令/数据）很可能在不久的将来再次被访问（往往会引起对最近使用区域的集中访问），而空间局部性是指一个进程访问的各项地址彼此很近。 换句话说，就是最近的、未来要用的指令和数据大多局限于正在用的指令和数据，或是存放在与这些指令和数据位置上邻近的单元中。这样，就可以把目前常用或将要用到的信息预先放在存取速度最快的存储器中，从而使CPU的访问速度大大提高。 依据局部性原理，把主存储器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；若没有再从主存中读取该数据，然后同时送往Cache和CPU。如果CPU需要访问的内容大多都能在Cache中找到（称为命中），则可以大大提高系统性能。 3.7.2 Cache的基本工作原理

如图3-13所示给出了Cache的基本结构。Cache和主存都被分成若干个大小相等的块，每块由若干字节组成。由于Cache的容量远小于主存的容量，所以Cache的块数要远少于主存的块数，它保存的信息只是主存中最活跃的若干块的副本。用主存地址的块号字段访问Cache标记，并将取出的标记和主存地址的标记字段相比较，若相等，说明访问Cache有效，称Cache命中，若不相等，说明访问Cache无效，称Cache不命中或失效，而此时需要从主存中将该块取出至Cache中。 当CPU发出读请求时，如果Cache命中，就直接对Cache 进行读操作，与主存无关；如果Cache不命中，则仍需访问主存，并把该块信息一次从主存调入Cache内。若此时Cache已满，则须根据某种替换算法，用这个块替换掉Cache中原来的某块信息。 当CPU发出写请求时，如果Cache命中，有可能会遇到Cache与主存中的内容不一致的问题，处理的方法主要有两种，一是同时写入Cache和主存，称为写直达法；二是将信息暂时只写入Cache，并用标志将该块加以注明，直到该块从Cache中替换出来时才一次写入主存，称为写回法。如果不命中，就直接把信息写入主存，而与Cache无关。

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

浅谈高速缓冲存储器

浅谈高速缓冲存储器 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。下面主要谈谈两种高速缓冲存储器、它的作用及发展趋势。一、高速缓冲存储器Cache 我们通常都认为计算机的速度是由CPU决定的,但是还要有其它的硬件或软件来充分发挥它的速度。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,为了弥补这个差距,人们在主存储器和CPU之间设置一种高速缓冲存储器Cache。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。高速缓冲存储器Cache中的数据是主存储器的副本,在程序运行中,当需要取指令或数据时,CPU先检查高速缓冲存储器Cache中是否有内容,若有就从Cache中取出,否则从主存储器取出,这样就充分发挥了CPU的潜力。在486的机种中经常配备高速缓冲存储器Cache,与主存储器相比,它的工作性质是不同的。简单地说,Cache是针对CPU作输入输出动作的,而主存储器是针对总线作输入输出动作的,因此Cache比主存储器的速度快。现在486机型一般配置有256K的Cache,Cache并不是越大越好,一般有256K就足够了。另外,如果机器本身没有配备硬件Cache,可以使用某些工具软件(如PC TOOLS,NORTON等)控制的Cache功能,也能达到同样的效果。二、磁盘高速缓冲存储器SMARTDRV SMARTDRV.EXE是DOS 6.2中的外部设备驱动程序。用此程序可启动或设置磁盘高速缓冲存储器。与

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）

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

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