cache性能分析

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1、万方数据第22卷第1期新乡教育学院学报2009年3月型：丝：№：!型圆些堡垫幽婴竖塑型塑鲤螋：幽Cache性能分析程军锋(陇南师范高等专科学校，甘肃陇南742500)摘要：随着计算机CPU的速度越来越快，计算机主存和CI：'U之间速度差异问题也日益突出，已经严重影响了计算机系统性能的提高。现已有多种技术改进主存的存取速度来提高计算机系统性能，其中通过Cache提高存储系统速度是广泛采用的一种技术。笔者主要介绍Cache的基本工作原理，同时也分析了引入Cache后计算机系统的性能，并介绍了一些改进Cache性能的

2、方法。关键词：高速缓冲存储器；命中率；加速比；失效；映射中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1672-3325(2009)01-0111d03作者简介：程军锋(1980-)，男，甘肃礼县人，助教。研究方向：计算机基础理论教学。计算机发展到现在，CPU主频的提升使得计算机系统性能有了极大地提高，但计算机系统性能提高不仅取决于CPU的性能，还与系统结构、指令系统、数据在各部件间的传送速度及存储部件的存取速度等因素有密切关系，特别是与CPU和主存之间的存取速度有着很大的关系。如果CPU工作速度较快，而主存访问速

3、度相对较慢，这样就会造成CPU等待，浪费CPU的性能，降低处理器速度，进而影响计算机整体性能。长期以来，计算机工作者一直研究解决主存与CPU的速度差异问题的方法，已有多种技术用来提高主存的访问速度，其中通过Cache(高速缓冲存储器)来提高存储系统速度就是一种有效的技术。Cache是容量较小但速度快的半导体随机存储器，位于CPU和大容量主存之间，但存取速度比主存快得多。它的作用是为CPU提供一个速度与之相当，而容量与主存相同的存储系统，以解决CPU和主存间速度不匹配的一项技术。这种技术可在计算机系统成本增加很小

4、的前提下，使计算机性能得到明显的提升。从i80386开始，在微处理机器中都采用了Cache，由存储器本身和外围控制电路构成Cache。为了追求速度，Cache包括管理在内的全部功能几乎都由硬件实现。目前，在主存配置几百M的情况收稿日期：2008-09-12下，Cache的大小只有几M，有的甚至采用多级Cache技术。一、Cache的工作原理和结构在现代计算机系统中，Cache已经成为计算机不可或缺的一部分，引入高速Cache的目的是为了解决高速CPU和低速主存间速度差异问题以提高计算机系统性能。因此要分析Cac

5、he对计算机性能的影响，必须要了解Cache的工作原理以达到优化其性能。Cache的工作机制基于程序访问局部性原理，对大量典型程序运行情况的分析结果表明，在一个较小的时间段内，CPU对存储器的访问不是任意的、随机的，而是对某一局部范围的存储器地址频繁访问，集中在一小块存储空间，对此范围以外的地址则访问很少，由程序产生的逻辑地址往往在存储器中是连续分布的，而且程序中有许多循环程序段和子程序，就表现为访存的集中性倾向。虽然数据分布的这种集中倾向不如指令明显，但对数组等有结构数据还是有相对的集中性，因此，对这些最近访

6、问过的空间有可能再次被访问的倾向。这种对局部范围的存储器地址频繁访问，而对此以外的地址很少访问的现象，就是程序访问的局部性。根据程序的局部性原理，可以在主存和CPU之间设置一个容量万方数据相对较小的高速存储器，把正在执行的空间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在一个时间段内使用，来提高程序的运行速度。这个介于主存和CPU之间的高速小容量存储器就是Cache(高速缓冲存储器)。正是依据此原理，系统不断地将与当前访问块相关联的一个不太大的后继存储单元块从内存读到Cache，然后再与CPU进行高

7、速传送，以达到速度匹配。当CPU访存时，首先通过主存／Cache地址变换机构判定访存地址所对应的存储单元块是否已在Cache中。如果在Cache中(称为Cache命中)，则经地址变换机构将主存地址变换成Cache地址去访问Cache，如果不在Cache中(称为Cache不命中)，则产生Cache块失效，这时就要把要访问的字直接从主存送往CPU，同时把包括该字的一个块从主存调入Cache，如果Cache中已满，容纳不下新调入的块时，就要选择替换策略，从Cache中换出一个旧块，并将新块替换进Cache。在主存与C

8、PU之间加入与CPU速度相当的SRAM作为高速缓冲存储器后，在其中就保存了主存的部分内容。CPU在读写数据时首先访问Cache，如果访问命中，而Cache速度与CPU速度相当，所以cPU可以在零等待下完成指令执行，只有在Cache中没有CPU所需的数据时，CPU才去访问主存。二、Cache性能分析在计算机系统中设计Cache的目的是通过减少CPU访存等待来提高计算机的性能。尽管引入Ca