2018-1-4

首先我們得知道，為什么會出現(xiàn)Cache？
是為了解決CPU與主存速度不匹配的問題。

其次，Cache主要是由高速的靜態(tài)RAM組成的，價格較貴，容量較小。

還有，我們是如何使用Cache的？
根據(jù)局部性原理可以知道，CPU在執(zhí)行某段程序的時候，他的訪存是具有相對的局部性的，也就是說，大部分都是順序執(zhí)行或者說是循環(huán)執(zhí)行。那么我們只要將CPU近期會使用到的程序和數(shù)據(jù)放在Cache中即可，那么CPU就可以實(shí)現(xiàn)在某一時間段內(nèi)只訪問速度較快的Cache，從而加快了速度。
當(dāng)CPU想要讀取主存中某個字的時候，他會先去Cache中尋找，如果它所需要的字已經(jīng)在Cache里了，便可直接訪問Cache（Cache與CPU之間通常每次只傳送一個字），但是如果他想要的字并不在Cache中，那么他會將主存中那個字對應(yīng)的一整個字塊一次調(diào)入Cache中（Cache與主存之間通常每次傳送一個字塊）。如何該字塊已經(jīng)調(diào)入Cache塊中，那么我們稱主存塊與緩存塊建立了 對應(yīng)關(guān)系。

再說一下基本結(jié)構(gòu)示意圖：
我們假設(shè)主存共有2^n個可編址的字，那么我們可以得到，主存地址一共有n位。
假設(shè)我們將主存的低b位作為塊內(nèi)地址，那么表明我們每一塊有2^b個字。
那么剩下的n-b=m位就作為了主存塊號，主存一共有2^m個塊。
對于Cache而言，他每一塊的大小和主存是保持一致的，所以他的塊內(nèi)地址的位數(shù)也是b位，每塊的大小也是2^b個字。
假設(shè)他的緩存塊號為c位，那么他一共有2^c個塊。他的大小是遠(yuǎn)小于主存的塊數(shù)的。

還有，根據(jù)我們的分析可知，一個緩存塊不可能永久的只放那一個主存塊（那么有的主存塊豈不是無處可放），言外之意就是說，每一個緩存塊位置上的主存塊是不唯一的，所以我們的緩存塊需要一個標(biāo)記來標(biāo)記是哪一個主存塊放在了這里，這樣我們每次需要根據(jù)標(biāo)記來判斷該緩存塊中的內(nèi)容。

接著我們再說一下幾個比較重要的指標(biāo)吧！
1.命中率：
h=Cache總命中次數(shù)/（Cache總命中次數(shù)+訪問主存的總次數(shù)）
其中他們兩個的和就表示我們對數(shù)據(jù)訪問的總次數(shù)。
2.Cache-主存系統(tǒng)平均訪問時間：
1-h為未命中率
t=h*（命中時訪問Cache的時間）+（1-h）*（未命中時訪問主存的時間）
3.Cache-主存系統(tǒng)訪問效率
e=命中時訪問Cache的時間/平均訪問時間*100%

最后，我想說的是Cache-主存地址映射。
CPU給出一個他想要訪問的主存地址，我們將他映射到對應(yīng)的緩存塊，進(jìn)而判斷是否命中了。
由主存地址映射到緩存地址叫做地址映射。
通常有三種方式：直接映射，全相聯(lián)映射，組相聯(lián)映射。
1.直接映射：
首先，我們將主存地址分成了三個部分：
t+c+b，其中b我們在上面已經(jīng)有提到 ，就是用這b位地址作為塊內(nèi)地址，t+c=m在上面是主存塊號，在這里：
i=jmod（2^c），其中2^c表示緩存塊號，j表示主存塊號，i表示對應(yīng)的緩存塊號，那么我們可以得到，主存里面的0，2^c，2^(c+1)……對應(yīng)緩存里的第0塊，主存里面的1，2^c+1，2^(c+1)+1……對應(yīng)緩存里的第1塊，我們根據(jù)中間的c位確定緩存塊，剩下的t位就作為主存字塊標(biāo)記了，我們根據(jù)緩存里對應(yīng)的標(biāo)記與這里的t位進(jìn)行比較，看是否在里面即可。
缺點(diǎn)是不夠靈活，每個主存塊必須對應(yīng)某個緩存塊。
2.全相聯(lián)映射：
這就厲害了，主存中的每一字塊可以映射到Cache中的任意位置，這樣利用率比較高，但是我們的主存字塊標(biāo)記從t位增加到了t+c位，而且邏輯電路也比較復(fù)雜，成本比較高。
3.組相聯(lián)映射：
我們增加了組這個概念。
這是一種折中，概括的說，就是從組間來說是直接映射，從組內(nèi)來說是全相聯(lián)映射。
假設(shè)我們一組內(nèi)有兩塊，那么我們只需要r=1位就可以標(biāo)記是組內(nèi)的哪一塊了（2^1=2），b還是原來的b，但是，對于Cache而言，他原來共需要2^c個地址，現(xiàn)在我們只需要有2^(c-1)個地址即可（因?yàn)槲覀儍蓚€塊排成了一組也就是一排），我們使用c-r位作為組地址，根據(jù)這個找到對應(yīng)的組，然后我們再根據(jù)t+r位的主存字塊標(biāo)記來判斷該塊是否是緩存中的字塊，一組中某一字塊的位置是隨便放的。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的高速缓冲存储器（Cache）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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