精讲cache高速缓存处理器

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1、2007.7.2计算机组成原理14.4高速缓冲存储器Cache4.4.1Cache基本原理1．设置Cache的必要性计算机有两个核心器件，一个内存，另外一个则是CPU。二者是否能较好配合，将直接影响计算机性能。早期的CPU跟内存的速度相差不多，但是随着计算机硬件技术的发展，CPU的速度提高的比内存快，现在内存和CPU的读写速度相差2～3个数量级。如果仅仅依靠内存给CPU传输数据，那么CPU可能会长时间等待，降低资源利用率。所以，必须对二者速度进行匹配。2007.7.2计算机组成原理2匹配内存和CPU的速度有以下三个方法：（1）降低CPU速度；（2）采用高速

2、的SRAM作为内存的存储器；（3）根据程序执行的局部性原理，在二者之间设置一定的缓冲器。显然，第一个方法降低了计算机性能，不可能采用；第二个方法需要用价格昂贵的SRAM来制作容量高达几百兆的内存，成本过高。因此第三个方法则呈了现代计算机的首选方法。2007.7.2计算机组成原理3实际的计算机系统中，常常在CPU和内存间设置一个容量不大（常常为几十至几百K）但是速度跟CPU速度相同的Cache作为缓冲器，把正在执行的指令代码单元附近的一部分指令代码或数据存入Cache中，CPU需要数据时，直接从Cache中读取，这种方法解决了速度不匹配的问题，又不会大幅度增

3、加成本。2007.7.2计算机组成原理42.基本原理Cache又叫高速缓存，是高速缓冲存储器（CacheMemory）的简称。作为一种存储器，Cache有一定的存储空间，但Cache的主要作用不是进行数据存储，所以其存储空间较小。根据Cache所处位置的不同，可以将Cache分为一级Cache和二级Cache。与CPU集成在同一块芯片中的是一级Cache（简称L1Cache），其容量常常为几十KB～几百KB；不与CPU集成在同一块芯片中的是二级Cache（简称L2Cache），其容量常常为几百KB～2MB。目前市场上比较高档的CPU常常配有512KB、1M

4、B或者2MB的Cache。配置了Cache的CPU和内存之间的存储结构如图4-13所示。2007.7.2计算机组成原理52007.7.2计算机组成原理6在Cache控制器的作用下，CPU首先访问Cache，如其需要的数据在Cache中，则直接访问Cache即可，否则再访问内存。如果设置了L2Cache，则系统将按照L1Cache、L2Cache、内存的顺序访问。值得注意的是：Cache不能被用户直接访问，用户不能使用Cache地址进行编程。2007.7.2计算机组成原理7Cache一般由SRAM、TRAM和控制器组成。其中，SRAM提供存储空间，它的容量即

5、为Cache的容量；TRAM保存Cache中的数据在主存中的地址；控制器则是实现比较和控制Cache的读写操作等功能。当CPU需要内存中某一地址的数据时，控制器首先将该地址信号与TRAM中的地址进行比较，如果找到相同的地址，说明内存中的数据在Cache中，则CPU直接访问Cache，否则CPU将访问内存。当CPU所需要的数据没有在Cache中时，控制器还要完成对Cache的修改，将内存中的数据读取到Cache中，以保证Cache命中率尽可能高，提高数据访问速度。2007.7.2计算机组成原理84.4.2地址映像Cache作为CPU和内存间的缓冲存储器，理想

6、情况下，应该保证CPU每次需要访问的数据都在Cache中。但是，用户程序却是按照内存地址编写的，Cache所做的工作是在CPU访问内存前，根据程序执行的局部性原理，先将内存中的数据读出，当CPU需要时再提供给它。所以，“Cache所保存的数据到底是内存中的哪些数据，地址是什么？”就成了关键性问题。这一问题实际上也是Cache的存储空间与内存之间的地址映像问题。2007.7.2计算机组成原理9常用的地址映像方式有三种：全相联映像、直接映像和组相联映像。1．全相联映像所谓全相联映像是指将内存和Cache按找固定的相同的大小进行分块。内存的块和Cache的块可以

7、任意对应，即内存的任何一块都可以映像到Cache的任何一块，在Cache的存储空间被占满的情况下，也允许确实已被占满的Cache存储器中替换出任何一个旧块。2007.7.2计算机组成原理10这种映像方式的优点是映像过程灵活，块冲突率低，只有在Cache中的块全部装满后才会出现冲突，Cache利用率高。缺点是块表查找的速度慢，由于Cache的速度要求高，全部比较和替换策略都要用硬件实现，控制复杂，实现起来也比较困难，成本高。全相联映像方式下内存与Cache对应的对应关系如图4-14所示：2007.7.2计算机组成原理112007.7.2计算机组成原理122．

8、直接映像跟全相联映像一样，直接映像先将Cache分成若干块，每个块