让你轻松搞懂Cache（高度缓存存储器）：计算机组成原理超详解

文章目录

- - 一. 为什么要使用Cache（什么是Cache）？
  - 二. Cache采用的程序访问的局部性原理
  - 三. Cache的工作原理
  - 四. Cache的命中率计算详解
  - 五. Cache的地址映射及变换方法
  - 六. Cache的三种替换算法
  - - 1. 为什么需要三种替换算法？
    - 2. 三种替换算法
  - 结论
  - 让你轻松搞懂Cache（高度缓存存储器）：计算机组成原理超详解

在计算机体系结构中， Cache是提升系统性能的重要组件。对于基础小白来说，理解Cache的工作原理和相关概念至关重要。本文将以简洁明了的方式，详细介绍Cache的基本原理、工作机制和优化方法，帮助读者快速掌握这一关键知识点。

一. 为什么要使用Cache（什么是Cache）？

Cache是一种位于CPU和主存之间的小容量、高速度的存储器。其主要作用是弥补CPU与主存之间的速度差异，从而提高系统整体性能。

原因：CPU主频提升会带动系统性能的改善，但内存存取速度较低会导致CPU等待，降低处理速度，浪费CPU能力。
解决方法：在慢速的DRAM和快速的CPU之间插入一至多级的速度较快、容量较小的SRAM起到缓冲作用，使CPU能够快速存取主存中的数据，而不使系统成本上升过高，这就是Cache的作用。

二. Cache采用的程序访问的局部性原理

程序访问的局部性是指在一个较短的时间间隔内，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。

局部性原理：对局部范围的存储器地址频繁访问，而对其他范围的访问甚少。
Cache利用局部性原理：将常用的数据和指令从主存调入Cache，供CPU在一段时间内使用，从而提高访问速度。

三. Cache的工作原理

1. 主存地址的划分

为了方便比较和快速查找，Cache和主存都被分成了若干大小相同的块，每块包含若干个字。
在这里插入图片描述

主存块地址：标识CPU访问的主存单元所在的主存块号。
块内偏移地址：表示要访问的单元在某块的偏移值。
索引：指示CPU访问Cache存储体的范围。
标记：用于判断内容是否在Cache中。

2. Cache的基本结构

Cache的结构主要包括三部分：

数据存储体：存放主存数据的副本。
标记存储体：存放标记，不同映射方式标记位数不同。
有效位：标识存放在Cache中的数据是否有效。

3. Cache的组织及CPU访问Cache的流程

Cache命中：

对CPU访问存储器的地址进行逻辑划分，得到标记、索引、块内地址。
按索引字段的值从Cache标记存储体的特定单元读出标记值，并比较。
若命中，则形成Cache地址。
访问Cache数据存储体，读取数据送至CPU。

Cache不命中：

对CPU访问存储器的地址进行逻辑划分，得到标记、索引、块内地址。
按索引字段的值从Cache标记存储体的特定单元读出标记值，并比较。
若不命中，则进入Cache替换策略。
调入数据块，更新标记存储体，送数据至CPU。

四. Cache的命中率计算详解

命中率 H：
H=N_c/（N_c+N_m）

命中率：Cache命中的次数占总访问次数的比例。
丢失率：1−H
平均访问时间 T_a：
T_a=H⋅T_c+(1−H)⋅T_m

举例说明：
假设一个程序访问内存100次，其中70次命中Cache，30次不命中。Cache的访问时间为10纳秒，主存的访问时间为50纳秒。

命中率 H：
H=70/100=0.7
平均访问时间 T_a：
T_a=0.7⋅10+(1−0.7)⋅50=7+15=22 纳秒

五. Cache的地址映射及变换方法

1. 什么是Cache的地址映射？

地址映射是指将主存地址空间映射到Cache的地址空间，即将存放在主存中的程序或数据按照某种规则装入Cache，并建立两者之间地址的对应关系。

2. 什么是Cache的地址变换？

地址变换是指在程序运行时，根据地址映像函数将主存地址变换成Cache地址。

3. 三种地址映射方法：

全相联映射：主存中的任何一个块都可以映射到Cache中的任何一个位置。这种方式灵活性高，但查找速度慢。
直接映射：主存中的每一个块固定映射到Cache中的某一个位置，查找速度快，但灵活性差。
组相联映射：综合了全相联映射和直接映射的优点，将Cache分成若干组，每组内采用全相联映射，组间采用直接映射，既有一定的灵活性，又能保持较高的查找速度。

六. Cache的三种替换算法

1. 为什么需要三种替换算法？

不同的替换算法在实现复杂度、命中率提升和硬件开销等方面各有优劣。通过选择合适的替换算法，可以在不同应用场景下优化Cache性能。

2. 三种替换算法

先进先出（FIFO）
- 原理：选择最早调入Cache的字块进行替换。
- 优点：实现简单，开销小。
- 缺点：未考虑数据的访问频率，命中率较低。
近期最少使用（LRU）和最不经常使用（LFU）
- LRU：将长时间未被访问的行换出，能有效提高命中率。
- LFU：将一段时间内被访问次数最少的行换出，但无法严格反映近期访问情况。
随机法
- 原理：随机确定被替换的块。
- 优点：实现容易。
- 缺点：命中率不稳定，有时会降低命中率。

结论

通过详细分析Cache的工作原理、地址映射方法和替换算法，本文帮助读者深入理解了Cache在计算机系统中的重要作用及其实现机制。Cache通过利用程序访问的局部性原理，有效提高了CPU访问存储系统的速度，从而提升了计算机系统的整体性能。