高速缓冲存储器cache的工作原理及技术实现

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1、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PC系统的重要指标，下面主要谈谈Cache的

2、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

3、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

4、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。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。【正文】一、高速缓冲存储器的结构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下图所示。主要由三大部分组成：　　Cache存储体：存放由主

5、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。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：  1、全相联Cache。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

6、方式的对应关系如下图所示。如果Cache的块数为Cb，主存的块数为Mb，则映象关系共有Cb×Mb种。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保存着很多互不相关的数据块，Cache必须对每个块和块自身的地址加以存储。当请求数据时，Cache控制器要把请求地址同所有地址加以比较，进行确认。这种Cache结构的主要优点是，它能够在给定的时间内去存储主存器中的不同的块，命中率高；缺点是每一次请求数据同Cache中的地址进行比较需

7、要相当的时间，速度较慢，成本高，因而应用少。2、直接映像Cache。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。直接相联映象规则如下图直接映像Cache不同于全相联Cache，地址仅需比较一次。在直接映像Cache中，由于每个主存储器的块在Cache中仅存在一个位置，因而把地址的比较次数减少为一次。其做法是，为Cache

8、中的每个块位置分配一个索引字段，用Tag字段区分存放在Cache位置上的不同的块