高速缓存存储器的作用及原理

高速缓存存储器的作用及原理

高速缓存存储器（Cache）是计算机系统中性能关键组件之一，其作用是提高计算机系统的运行速度。它通过存储频繁访问的数据和指令，减少处理器对常规存储器的访问次数，从而加速数据传输和操作执行。现代计算机系统普遍采用多级缓存，其中L1 Cache位于处理器内部、访问速度最快，L2 Cache位于处理器之外但仍接近处理器，L3 Cache则更远离处理器，容量更大。

高速缓存存储器的原理基于两个主要思想：局部性原理和时间局部性原理。局部性原理表明，程序往往倾向于在某段时间内频繁地访问一定范围内的数据和指令。时间局部性原理则说明，在一段时间内，计算机会频繁访问最近被访问过的数据和指令。基于这两个原理，高速缓存存储器的设计目标是提供快速访问近期或即将访问的数据。

高速缓存存储器通常由一组存储单元（Cache lines）组成，每个存储单元由一个有效位、一个标记位和一个数据块组成。当处理器需要读取或写入数据时，首先判断该数据是否在高速缓存存储器中。如果在，则将数据直接从高速缓存传递给处理器；如果不在，则需要从内存中读取数据，并将其放入高速缓存存储器中，以备将来使用。

高速缓存存储器采用的主要策略包括写直达（Write-through）和写回（Write-back）。写直达策略是指每次写入操作都会同步写入高速缓存存储器和内存，保持高速缓存和内存的一致性；写回策略是指写入操作只会修改高速缓存

存储器的数据，而不立即写入内存，只有在将数据替换出高速缓存时才会更新内存。写回策略可以减少写入内存的次数，提高处理器的效率，但可能会导致高速缓存和内存之间的数据不一致。

高速缓存存储器的性能主要受到以下几个因素影响：

1. 容量：高速缓存存储器的容量越大，存放的数据越多，命中率越高，性能越好。

2. 关联度：高速缓存存储器的关联度决定了数据块应存放在哪个存储单元中。关联度分为直接映射（Direct-mapped）、组相联（Set-associative）和全相联（Fully-associative）三种方式。直接映射将数据块映射到唯一一个存储单元中，组相联将数据块映射到一组存储单元中的某一个，全相联则可以将数据块映射到任意一个存储单元。关联度越高，命中率越高，性能越好。

3. 替换策略：高速缓存存储器的替换策略决定了当新的数据需要加入高速缓存时，如何选择要被替换出的数据块。常用的替换策略有随机替换（Random Replacement）、先进先出替换（FIFO Replacement）和最近最少使用替换（Least Recently Used Replacement，LRU）。替换策略的好坏会影响高速缓存存储器的性能。

高速缓存存储器在现代计算机体系结构中起着至关重要的作用。通过快速响应处

理器对数据和指令的请求，高速缓存存储器有效提高了计算机系统的整体性能。随着处理器和内存之间的速度差异不断扩大，高速缓存存储器在信息传输和操作执行方面的重要性将愈发突出。因此，对高速缓存存储器的研究和优化将继续是计算机系统领域的热点方向。

高速缓冲存储器名词解释

高速缓冲存储器名词解释 高速缓冲存储器（CacheMemory）是计算机系统中用来加快访问 速度的一种临时存储器。它可以被看作是内存系统中一层虚拟存储器，能够有效地把系统从内存、磁盘等设备中获取的数据以及未来所需要的数据暂存到cache memory中。简言之，cache memory是一种可 用来为CPU加速数据访问速度的存储器，是由CPU直接访问的一种高速存储器。 高速缓冲存储器由三个部分组成：cache级（cache level）、cache 缓存行（cache line）和cache单元（cache cell）。cache是一组 缓存行的集合，是 cache memory最小单元。cache是由一组相连接 的 cache line成。cache line括一组相同大小的 cache元，每个 单元根据它的作用可分为三类：索引（index）、标记（tag）、数据（data）。 cache可以将源数据分成多个子集，并将其中一部分存储到cache memory 中，以便快速访问。cache据地址映射（address mapping）原理，将一段内存区域缩小，便于数据的快速访问。当 CPU求某条 指令时，它会首先检查 cache 中是否已经缓存了这条指令，如果缓 存中有，就可以从 cache 中取出该指令，省去了访问主存的时间， 这样就提高了 CPU运算速度。 除此之外，高速缓冲存储器还利用了多级缓存（multi-level cache）技术，把cache memory分为多级，从而提高了 cache memory 命中率。在这种技术下，如果一级缓存（L1 cache）中没有找到所要访问的数据，则会再到二级缓存（L2 cache）中查找。如果L2 cache

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CP

U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Cac he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。

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。 结论 •高速缓冲存储器作为一种存储层次结构，通过局部性原理和缓存工作原理来提高数据访问速度。 •它的工作原理复杂，涉及缓存命中、未命中和替换算法等机制。•高速缓冲存储器对计算机性能的提升具有重要作用，是现代计算机体系结构中不可或缺的一部分。

微型计算机存储器系统结构

第5章微型计算机存储器系统结构 本章学习要点 ●存储器的分类及存储器系统的层次结构 ●随机存取存储器RAM和只读存储器ROM的基本结构 ●存储器扩展接口 ●辅助存储器及新型存储器技术 5—1 本章知识重点 5-1—1 存储器的概念和基本结构 1．存储器的概念 存储器是计算机中用来存储信息的部件，是微型计算机系统不可缺少的组成部分，是计算机中各种信息的存储和交流中心。 2．存储器的分类 存储器按照其制造材料、读写功能、信息的保存情况及其在微型计算机系统中的作用来区分，可以有以下4种分类方法： (1)按照存储介质分类 采用半导体材料——半导体存储器。 采用磁性材料——磁表面存储器。 采用光学材料——光表面存储器。 (2)按照读写功能分类 存储内容固定不变，只能读出不能写入——只读存储器ROM。 存储内容可以改变，既可以读出又能够写入——随机存取存储器RAM(又称为读写存储器)。 (3)按照信息的可保存性分类 断电后信息即消失——非永久性记忆的存储器。 断电后仍能保存信息——永久性记忆的存储器。 (4)按照在微型计算机系统中的作用分类 存放当前正在运行的程序和数据——主存储器。 存储CPU当前操作暂时用不到的程序或数据——辅助存储器。 暂存CPU正在使用的指令和数据——高速缓冲存储器(Cache)。 3．存储器的基本性能指标 (1)存储容量：存储器可以存储的二进制信息总量称为存储容量。 存储容量=存储器单元数×每单元二进制位数。 应该注意：通常8位二进制数称为一个字节，用B(Byte)表示，存储容量可以字节(B)为单位来表示，对于大容量存储器还可以用千字节(KB)、兆字节(MB)、 吉字节(GB)、太字节(TB)等表示。 其换算关系为：1KB=2100B=1024B IMB=210B=1024KB 1GB=230B=1024MB 1TB=240B=1024GB (2)存取时间：指启动次存储器操作到完成该操作所用的时问。 (3)存取周期：指连续两次独立的存储器操作之间的最小时间间隔。

缓存

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。[ 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。[ 工作原理 高速缓冲存储器通常由高速存储器、联想存储器、替换逻辑电路和相应的控制线路组成。在有高速缓冲存储器的计算机系统中，中央处理器存取主存储器的地址划分为行号、列号和组内地址三个字段。于是，主存储器就在逻辑上划分为若干行；每行划分为若干的存储单元组；每组包含几个或几十个字。高速存储器也相应地划分为行和列的存储单元组。二者的列数相同，组的大小也相同，但高速存储器的行数却比主存储器的行数少得多。 联想存储器用于地址联想，有与高速存储器相同行数和列数的存储单元。当主存储器某一列某一行存储单元组调入高速存储器同一列某一空着的存储单元组时，与联想存储器对应位置的存储单元就记录调入的存储单元组在主存储器中的行号。 当中央处理器存取主存储器时，硬件首先自动对存取地址的列号字段进行译码，以便将联想存储器该列的全部行号与存取主存储器地址的行号字段进行比较：若有相同的，表明要存取的主存储器单元已在高速存储器中，称为命中，硬件就将存取主存储器的地址映射为高速存储器的地址并执行存取操作；若都不相同，表明该单元不在高速存储器中，称为脱靶，硬件将执行存取主存储器操作并自动将该单元所在的那一主存储器单元组调入高速存储器相同列中空着的存储单元组中，同时将该组在主存储器中的行号存入联想存储器对应位置的单元内。 当出现脱靶而高速存储器对应列中没有空的位置时，便淘汰该列中的某一组以腾出位置存放新调入的组，这称为替换。确定替换的规则叫替换算法，常用的替换算法有:最近最少使用法（LRU）、先进先出法（FIFO）和随机法（RAND）等。替换逻辑电路就是执行这个功能的。另外，当执行写主存储器操作时，为保持主存储器和高速存储器内容的一致性，对命中和脱靶须分别处理： ①写操作命中时，可采用写直达法（即同时写入主存储器和高速存储器）或写回法（即只写入高速存储器并标记该组修改过。淘汰该组时须将内容写回主存储器）； ②写操作脱靶时，可采用写分配法（即写入主存储器并将该组调入高速存储器）或写不分配法（即只写入主存储器但不将该组调入高速存储器）。高速缓冲存储器的性能常用命中率来衡量。影响命中率的因素是高速存储器的容量、存储单元组的大小、组数多少、地址联想比较方法、替换算法、写操作处理方法和程序特性等。 采用高速缓冲存储器技术的计算机已相当普遍。有的计算机还采用多个高速缓冲存储器，如系统高速缓冲存储器、指令高速缓冲存储器和地址变换高速缓冲存储器等,以提高系统性能。随着主存储器容量不断增大,高速缓冲存储器的容量也越来越大。

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的作用

高速缓冲存储器cache的作用 高速缓冲存储器（cache）是计算机系统中的一种重要组成部分，它的作用可以用来提高数据访问速度、降低数据延迟，从而提升整个系统的性能。在计算机系统中，CPU（中央处理器）和内存之间的数据交换是非常频繁的，而高速缓存存储器的作用就是在CPU和内存之间起到一个缓冲的作用，加快数据传输的速度。 高速缓存存储器通过存储最常用的数据，将这些数据暂时保存在CPU附近，以便下次访问时可以更快地获取。这样，当CPU需要访问某个数据时，它首先会在高速缓存中进行查找，如果找到了需要的数据，就可以直接从缓存中读取，而不需要再次访问内存。由于高速缓存存储器的访问速度比内存快得多，因此可以大大减少CPU等待数据的时间，从而提高计算机的整体运行速度。 高速缓存存储器还可以通过预取数据的方式来提高数据访问速度。当CPU访问某个数据时，高速缓存存储器会根据程序的局部性原理，主动将该数据所在的连续内存块中的数据一并加载到缓存中。这样，在CPU访问下一个数据时，它已经在高速缓存中了，无需再次从内存中读取。通过预取数据，可以减少CPU等待数据的时间，提高计算机的整体性能。 高速缓存存储器还可以通过缓存一致性协议来提高系统的性能和数据的一致性。在多核处理器系统中，每个核都有自己的高速缓存，

而它们之间又需要共享数据。为了保证数据的一致性，高速缓存存储器会使用一种协议来保证每个核对共享数据的操作都是正确的。这种协议可以在不同核之间进行数据的同步和通信，从而保证数据的一致性。通过缓存一致性协议，可以提高系统的性能和数据的可靠性。 高速缓存存储器还有一种非常重要的作用，即减少对内存的访问次数。由于内存的访问速度相对较慢，因此每次访问内存都需要耗费较多的时间。而高速缓存存储器的访问速度比内存快得多，因此可以将CPU对内存的访问次数减少到最低限度。通过减少对内存的访问次数，可以大大提高计算机系统的性能，降低数据访问的延迟。 高速缓存存储器在计算机系统中起到了至关重要的作用。它通过存储最常用的数据、预取数据、缓存一致性协议以及减少对内存的访问次数等方式，提高了数据访问的速度和性能，从而提升了整个计算机系统的运行效率。在今后的计算机发展中，高速缓存存储器将继续发挥着重要的作用，为计算机系统的性能提供强大的支持。

cache工作原理

cache工作原理 一、概述 Cache是计算机系统中一种高速缓存存储器，用于提高数据访问速度。它位于CPU和主内存之间，存储了最常访问的数据和指令。Cache工作原理是通过在 CPU和主内存之间建立一个较小但更快的存储器层次结构，减少对主内存的访问 次数，从而加快数据的读取和写入速度。 二、Cache的结构 Cache分为多级，通常包括L1、L2、L3等级别。L1 Cache靠近CPU，速度最快，但容量较小；L2 Cache速度稍慢，容量较大；L3 Cache速度最慢，容量最大。数据在Cache中按照块的形式存储，每个块包含一个数据单元和一个标记单元。标记单元用于标记块中存储的数据是否有效。 三、Cache的工作原理 1. 缓存命中 当CPU需要访问某个数据或指令时，首先会在Cache中查找。如果数据在Cache中存在，即缓存命中，CPU可以直接从Cache中读取数据，避免了访问主内 存的开销，提高了访问速度。 2. 缓存未命中 如果数据在Cache中不存在，即缓存未命中，CPU需要从主内存中读取数据， 并将其存储到Cache中。此时，CPU会根据一定的算法将主内存中的数据块加载 到Cache中的某个位置，并更新标记单元。 3. 替换策略

当Cache已满时，如果需要加载新的数据块，就需要替换掉Cache中的某个旧 的数据块。常见的替换策略有：最近最少使用（LRU）、先进先出（FIFO）和随 机替换等。这些策略根据数据的访问频率和时间顺序来选择替换哪个数据块。 4. 写回和写直达 当CPU对Cache中的数据进行写操作时，有两种策略：写回和写直达。写回 是指将修改后的数据仅写入Cache，而不立即写入主内存，这样可以减少写操作对 性能的影响。写直达是指将修改后的数据同时写入Cache和主内存，保持Cache和主内存的一致性。 5. Cache一致性 Cache一致性是指多个Cache之间数据的一致性。当多个CPU同时访问同一块 数据时，可能会出现数据不一致的情况。为了保持Cache之间的一致性，常用的方法是使用缓存一致性协议，如MESI（Modified、Exclusive、Shared、Invalid）协议。 四、Cache的优势和局限性 1. 优势 - 加速数据访问：Cache存储了最常访问的数据和指令，可以提高数据的读取 和写入速度，加快计算机系统的运行速度。 - 减少主内存访问：Cache能够减少对主内存的访问次数，从而减少了内存总 线的负载，提高了系统的整体性能。 - 节约能源：Cache的访问速度比主内存快，可以减少CPU等待数据的时间， 从而降低了功耗和能源消耗。 2. 局限性 - 容量有限：Cache的容量相对主内存较小，无法存储全部数据。当数据量超 过Cache容量时，会导致缓存命中率下降，性能下降。

Cache的工作原理

Arm cache 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： DCACHE ARM cache架构由cache存储器和写缓冲器write-buffer组成,其中写缓冲器是CACHE按照FIFO原则向主存写的缓冲处理器; 一般来说CACHEABILITY和BUFFERABILITY都是可以配置的,所以,一块存储区域可以配置成下面4种方式：NCNB CNB NCB CB; 在实际应用当中,可以根据需要对主存进行配置;对I/O MAP来说,一般都需要采用NCNB方式,以保证对I/O的正确操作;而其他的存储区域一般都可以配置成CB方式,以获取最好的性能; 引入CACHE和WRITE BUFFER是为了提高存储访问的速度,提供系统性能;如果CACHE打开的话,CPU读写主存的时候,都是通

简述高速缓冲存储器的工作原理(一)

简述高速缓冲存储器的工作原理(一) 高速缓冲存储器工作原理简述 1. 引言 高速缓冲存储器（Cache）作为计算机系统的重要组成部分，用于提高计算机执行速度。本文将从简单到复杂的角度，解释高速缓冲存储器的工作原理。 2. 缓存的作用 缓存的主要作用是加快计算机的访问速度。计算机执行指令的时候，数据需要从主存中读取，然后再进行计算。而主存的访问速度相对较慢，所以引入缓存这一层，可以将经常使用的数据暂时存放在高速缓存中，当需要使用时，将数据直接从缓存中读取，这样可以大大提高计算机的执行速度。 3. 高速缓存的层次结构 高速缓存一般分为L1、L2、L3等多个层次。L1 Cache位于CPU 内部，速度最快，容量较小；L2 Cache则是位于CPU和主存之间，速度较慢，容量较大；L3 Cache位于CPU和主存之间，速度较L2 Cache 更慢，容量更大。

4. 缓存工作原理 4.1 缓存的存储结构 高速缓存采用组相联存储结构，将主存中的数据块存放到高速缓 存的某一组中。缓存中的每一组由多个缓存行（Cache Line）构成， 每个缓存行由若干个字节组成。 4.2 缓存的读写流程 在读取数据时，CPU首先向高速缓存发送请求，如果所需数据在 缓存中，就直接从缓存中读取；如果所需数据不在缓存中，就需要从 主存中读取，并将读取到的数据加载到缓存中。 在写入数据时，CPU也首先向高速缓存发送请求，如果所需数据 在缓存中，就直接将数据写入缓存；如果所需数据不在缓存中，则需 要将该数据写入缓存，并根据写策略（包括写回和写直达）决定是否 将数据写回主存。 4.3 缓存的替换策略 当缓存已满并需要将新的数据加载到缓存中时，需要替换掉一部 分缓存行。常用的替换策略有最近最少使用（LRU）、先进先出（FIFO）等。其中，最近最少使用策略是指替换最长时间未被使用的缓存行。5. 总结 高速缓存存储器是计算机系统中重要的组成部分，通过存储经常 使用的数据，提高了计算机的执行速度。它采用组相联存储结构，可 以缓存主存中的数据，并通过合适的读写流程和替换策略来提供快速

cpu高速缓存的工作原理

cpu高速缓存的工作原理 CPU高速缓存的工作原理 概述： CPU高速缓存是为了解决CPU与主存之间速度不匹配的问题而设计的，其主要作用是提高CPU的访问速度。本文将从以下几个方面来详细介绍CPU高速缓存的工作原理。 一、什么是CPU高速缓存？ 二、为什么需要CPU高速缓存？ 三、如何实现CPU高速缓存？ 四、CPU高速缓存的工作原理 五、常见的CPU高速缓存类型 六、如何优化CPU高速缓存性能

一、什么是CPU高速缓存？ 简单来说，CPU高速缓存就是位于CPU内部的一块小型且容量较小的内存，它用于暂时保存最近使用过的数据和指令，以便在下次访问时可以更快地获取到这些数据和指令。 二、为什么需要CPU高速缓存？ 由于主板与内存之间存在较大的距离，因此在处理器需要访问内存时会有一定延迟。而且随着计算机技术不断发展，处理器运行频率越来越快，但内存读写速度却没有相应提升。这就导致了一个问题：处理器运行时需要等待内存读写操作完成，从而浪费了大量的时间。为了解决这个问题，CPU高速缓存被设计出来。 三、如何实现CPU高速缓存？ CPU高速缓存一般都是由SRAM（静态随机存储器）组成的。与DRAM（动态随机存储器）不同，SRAM具有更快的访问速度和更低的功耗。但是，SRAM价格比DRAM贵得多，因此高速缓存容量相对较小。 四、CPU高速缓存的工作原理

当处理器需要访问内存时，它首先会检查高速缓存中是否已经存在所 需数据或指令。如果存在，则直接从高速缓存中读取；如果不存在， 则需要从内存中读取，并将数据或指令保存到高速缓存中以备下次使用。 CPU高速缓存在工作时分为以下几个步骤： 1.地址映射 当处理器发出访问请求时，高速缓存会首先将请求地址映射到相应的 高速缓存块上。这个过程一般通过哈希算法来实现。 2.检索数据 如果所请求的数据已经存在于高速缓存中，则可以直接从其中读取； 否则就需要从主内存中获取数据并将其保存到高速缓存中以便下次使用。 3.替换数据 当高速缓存中的空间不足时，就需要将一些数据替换出去以腾出空间。这个过程一般采用LRU（最近最少使用）算法来实现。

cache的基本原理

cache的基本原理 缓存（cache）是一种用于存储临时数据的高速存储器，通常位于 计算机的内部或接近CPU。它具有快速的读写速度和较小的容量，以提高系统的性能和响应速度。缓存的基本原理是利用数据的局部性原理，将最常用的数据复制到高速存储器中，使CPU能够更快地访问这些数据，从而减少对慢速外部存储器的访问次数。 缓存的基本原理可以分为三个层面：局部性原理、缓存一致性原 理和替换策略。 1.局部性原理： 局部性原理是缓存能够有效工作的基础。程序在执行时的数据访 问往往表现出两种局部性：时间局部性和空间局部性。时间局部性指 的是一旦程序访问了某个数据，它在短时间内很可能再次被访问到； 空间局部性指的是一旦程序访问了某个数据，它附近的数据也很可能 会被访问。 缓存利用了时间局部性特征，将最近被CPU访问的数据复制到缓 存中，以便下次CPU再次访问相同数据时可以直接从缓存中读取，避

免了从主存中读取数据的延迟。同时，缓存还利用了空间局部性特征，在CPU访问一个数据时，将它所在的数据块一并复制到缓存中，预先 加载相邻的数据，提高数据的连续性访问。 2.缓存一致性原理： 缓存一致性原理是指在多级缓存系统中，各级缓存之间需要保持 数据的一致性。多级缓存系统中，数据可能被同时存储在多个级别的 缓存中，当CPU修改了一个数据时，需要保证这个修改操作对其他缓 存可见。 缓存一致性通过使用一致性协议来实现。常见的一致性协议有：MESI协议（Modified、Exclusive、Shared、Invalid）和MOESI协议（Modified、Owned、Exclusive、Shared、Invalid）。这些协议通过 处理缓存之间的通信和同步，确保数据的一致性，避免了数据的冲突 和错误。 3.替换策略：

高速缓存

高速缓存 磁盘访问速度受限于机械动作，为了提高磁盘的访问速度，一般在磁盘内部加入访问速度快的专用缓冲存储器或者在内存中开辟一个区域，利用最近访问的即将被再次访问的可能性很大这个原理，所有的访问都不直接访问物理介质而是在这一区域中进行，当这一区域的访问达到系统预先设定的某一值时或者低速度设备空闲时，才刷新到物理介质，这样就大大提高了访问速度。所有高速设备和低速度设备的连接都用到这一技术。 一、高速缓存的概述 Cache的出现是基于两种因素：首先，是由于CPU的速度和性能提高很快而主存速度较低且价格高，第二就是程序执行的局部性特点。因此，才将速度比较快而容量有限的SRAM构成Cache，目的在于尽可能发挥CPU的高速度。很显然，要尽可能发挥CPU的高速度就必须用硬件实现其全部功能。 二、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。 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。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。 三、组成结构 1、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。 2、主要由三大部分组成： 1）、Cache存储体：存放由主存调入的指令与数据块。 2）、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。 3）、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。 四、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

CPU缓存的作用

CPU缓存的作用 CPU缓存的作用 高速缓冲存储器Cache是位于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。那CPU缓存的作用有哪些？下面是店铺整理的，欢迎大家阅读！更多相关信息请关注相关栏目！ 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Cache间的带宽引起的。 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、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高速缓冲存储器

Cache高速缓冲存储器

Cache”是什么 Cache(即高速缓冲存储器(Cache Memory)，是我们最常听到的一个词了。在老鸟们眼中，这个词或许已没有再谈的必要，因为他们对Cache从设计的必要性到工作原理、工作过程等等都已了如指掌了；而对菜鸟朋友们而言，这些未必就很清楚。那么，它们到底是指的什么呢？不用急，下面就请随笔者一起来全面认识Cache。 为什么要设计Cache 我们知道，电脑的内存是以系统总线的时钟频率工作的，这个频率通常也就是CPU的外频(对于雷鸟、毒龙系列的处理器，由于在设计采用了DDR技术，CPU工作的外频为系统总线频率的两倍)。但是，CPU的工作频率(主频)是外频与倍频因子的乘积。这样一来，内存的工作频率就远低于CPU的工作频率了。这样造成的直接结果是：CPU在执行完一条指令后，常常需要“等待”一些时间才能再次访问内存，极大降了CPU工作效率。在这样一种情况下，Cache就应运而生了！ Cache是什么 Cache是一种特殊的存储器，它由Cache 存储部件和Cache控制部件组成。Cache 存储部件一般采用与CPU同类型的半导体存储器件，存取速度比内存快几倍甚至十几倍。而Cache 控制器部件包括主存地址寄存器、Cache 地址寄存器，主存—Cache地址变换部件及替换控制部件等。至于它们各自又是怎样工作的、有

何作用等等，我想我们就没有必要做进一步的研究，知道一般Cache分为L1 Cache(其中又分为数据Cache、代码Cache)、L2 Cache就行了。 Cache是怎样工作的 我们知道，CPU运行程序是一条指令一条指令地执行的，而且指令地址往往是连续的，意思就是说CPU在访问内存时，在较短的一段时间内往往集中于某个局部，这时候可能会碰到一些需要反复调用的子程序。电脑在工作时，把这些活跃的子程序存入比内存快得多的Cache 中。CPU在访问内存时，首先判断所要访问的内容是否在Cache中，如果在，就称为“命中”，此时CPU直接从Cache中调用该内容；否则，就称为“不命中”，CPU只好去内存中调用所需的子程序或指令了。CPU不但可以直接从Cache中读出内容，也可以直接往其中写入内容。由于Cache的存取速率相当快，使得CPU的利用率大大提高，进而使整个系统的性能得以提升。 Cache的应用 早在486时代，主板上就设计了Cache插槽，用户可以根据需要自己配置Cache；586级的CPU芯片中已集成了部分Cache，同时还保留了Cache插槽供用户扩充，而到了Pentium Ⅱ时代后，Cache已全部集成到了CPU芯片中，主板上再也没有Cache插槽。现在比较流行的CPU芯片中一般集成了至少16KB的代码