计算机系统结构 存储层次 5.2 CACHE基本知识
cache原理
cache原理
Cache（缓存）是一种计算机系统的重要组成部分，它可以大幅提升计算机系统的性能。
下文将对Cache的基本原理、Cache的结构以及Cache的实现方式进行论述。
一、Cache的基本原理
Cache通常位于CPU和主内存之间，是一块较小的高速存储器。
它的作用是为了减少CPU访问主内存的次数，提高存取速度。
Cache 的原理是使用特定的技术在CPU和主内存之间建立一个缓冲层，用以缓存CPU访问过的数据。
由于Cache的存储容量远远小于主内存，因此Cache通常只能把用户最近访问、最频繁访问的数据缓存起来，从而加快数据的存取速度，提高CPU的处理性能。
二、Cache的结构
Cache由内存块、标签存储器和替换算法三部分组成。
内存块主要存放缓存数据，标签存储器用于记录内存块中缓存数据的地址、标签信息以及有效位，替换算法用于当内存块满时选择一块内存块将其替换出去。
三、Cache的实现方式
Cache的实现方式主要有两种：直接映射和全相联映射。
直接映射是将主存中的数据一一映射到Cache中，只要知道主存中数据的地址，就可以直接找到Cache中的数据；而全相联映射则在Cache中设置一组控制位，将主存中的数据按照统一的算法映射到Cache的几个块中，在进行Cache搜索时，先查找控制位，再查找Cache中的数据，
以确定数据是否在Cache中。
四、总结
以上是Cache的原理和实现方式，Cache能有效的加快CPU的存取速度，提高处理性能。
只要掌握Cache的基本原理，就可以灵活运用，从而更好的提升计算机系统的效率。
cache工作原理
cache工作原理概述：Cache是计算机系统中的一种高速缓存技术，用于存储最常用的数据，以提高计算机系统的性能。
本文将详细介绍Cache的工作原理，包括Cache的层次结构、Cache的读取和写入操作、Cache的替换策略以及Cache的一致性问题。
一、Cache的层次结构：计算机系统中的Cache通常分为多级，如L1 Cache、L2 Cache、L3 Cache等。
这些Cache按照层次结构排列，速度逐级递减，容量逐级递增。
L1 Cache位于CPU内部，速度最快，容量较小；L2 Cache位于CPU和主内存之间，速度次于L1 Cache，容量较大；L3 Cache位于CPU和主内存之间，速度最慢，容量最大。
Cache的层次结构能够充分利用局部性原理，提高数据的访问效率。
二、Cache的读取和写入操作：1. 读取操作：当CPU需要读取数据时，首先会从L1 Cache开始查找，如果在L1 Cache中找到了需要的数据，则称为命中（Cache Hit），CPU可以直接使用该数据。
如果在L1 Cache中没有找到需要的数据，则会依次向下一级Cache查找，直到找到或者到达主内存。
如果在所有的Cache中都没有找到需要的数据，则称为未命中（Cache Miss），CPU需要从主内存中读取数据，并将数据存入Cache中，以供下一次访问使用。
2. 写入操作：当CPU需要写入数据时，同样会首先在L1 Cache中查找是否存在需要写入的数据。
如果存在，则直接在L1 Cache中进行写入操作。
如果不存在，则需要根据Cache的写策略进行处理。
常见的写策略有写回（Write Back）和写直达（WriteThrough）。
写回策略是将数据先写入Cache中，然后在某个时刻再将数据写入主内存；写直达策略是将数据同时写入Cache和主内存。
写回策略可以减少对主内存的访问次数，提高性能，但可能会引发一致性问题。
三、Cache的替换策略：当Cache已满时，需要替换一些数据以腾出空间存放新的数据。
cache的基本原理
cache的基本原理缓存（cache）是一种用于存储临时数据的高速存储器，通常位于计算机的内部或接近CPU。
它具有快速的读写速度和较小的容量，以提高系统的性能和响应速度。
缓存的基本原理是利用数据的局部性原理，将最常用的数据复制到高速存储器中，使CPU能够更快地访问这些数据，从而减少对慢速外部存储器的访问次数。
缓存的基本原理可以分为三个层面：局部性原理、缓存一致性原理和替换策略。
1.局部性原理：局部性原理是缓存能够有效工作的基础。
程序在执行时的数据访问往往表现出两种局部性：时间局部性和空间局部性。
时间局部性指的是一旦程序访问了某个数据，它在短时间内很可能再次被访问到；空间局部性指的是一旦程序访问了某个数据，它附近的数据也很可能会被访问。
缓存利用了时间局部性特征，将最近被CPU访问的数据复制到缓存中，以便下次CPU再次访问相同数据时可以直接从缓存中读取，避免了从主存中读取数据的延迟。
同时，缓存还利用了空间局部性特征，在CPU访问一个数据时，将它所在的数据块一并复制到缓存中，预先加载相邻的数据，提高数据的连续性访问。
2.缓存一致性原理：缓存一致性原理是指在多级缓存系统中，各级缓存之间需要保持数据的一致性。
多级缓存系统中，数据可能被同时存储在多个级别的缓存中，当CPU修改了一个数据时，需要保证这个修改操作对其他缓存可见。
缓存一致性通过使用一致性协议来实现。
常见的一致性协议有：MESI协议（Modified、Exclusive、Shared、Invalid）和MOESI协议（Modified、Owned、Exclusive、Shared、Invalid）。
这些协议通过处理缓存之间的通信和同步，确保数据的一致性，避免了数据的冲突和错误。
3.替换策略：由于缓存容量有限，当缓存已满时，需要替换掉一个缓存行（Cache Line）来给新的数据腾出位置。
替换策略是决定哪个缓存行被替换的规则。
常见的替换策略有：随机替换、先进先出替换（FIFO）、最近最久未使用替换（LRU）等。
Cache基础知识介绍
如何提高cache的性能
• 提高cache的性能也就是要降低主存的平均存取时间 主存平均存取时间=命中时间+未命中率*未命中惩罚 • 提高cache的性能有以下三种方法：减少命中时间，减少 未命中率，减少未命中惩罚。
影响命中率的硬件因素主要有以下四点： • Cache的容量。 • Cache与主存储器交换信息的单位量（cache line size）。 • Cache的组织方式 • Cache的替换算法
什么是cache
• Cache又叫高速缓冲存储器，位于CPU与内存之间，是一种 特殊的存储器子系统。 • 目前比较常见的是两极cache结构，即cache系统由一级高 速缓存L1 cache和二级高速缓存L2 cache组成，L1 cache通 常又分为数据cache（I-Cache）和指令cache（D-Cache）， 它们分别用来存放数据和执行这些数据的指令。
Way 1
x[i+2][0] Entry 1
x[i+2][1]
x[i+2][2]
x[i+2][3]
Way 0
x[i+1][0]
x[i+1][1]
x[i+1][2]
x[i+1][3]
Way 1
x[i+3][0]
x[i+3][1]
x[i+3][2]
x[i+3][3]
代码段A： 对于数组元素x[i][0]（i=0…1024）的访问是miss的，但对于 x[i][1]， x[i][2]， x[i][3]的访问是hit的，因此miss的总次数为 1024次。 代码段B： 对于数组元素x[i][0]， x[i][1]， x[i][2]， x[i][3] （i=0…1024） 的访问都是miss的，他们被x[i+4][0] ， x[i+4][1]， x[i+4][2]， x[i+4][3]所替换，因此miss的总次数为4096次。 • 当需要对大量数据访问的时候，一定要注意对内存的访问 要尽量是连续而且循环内层的访问接近cache的块大小， 以提高cache的命中率，从而提高程序的运行效率。
cache工作原理
cache工作原理【引言】Cache是计算机系统中常用的一种高速缓存技术，它能够提高计算机系统的性能和响应速度。
本文将详细介绍Cache的工作原理，包括Cache的基本概念、工作流程和优化策略。
【正文】1. Cache的基本概念Cache是一种位于CPU和主存之间的高速缓存，用于暂时存储频繁使用的数据和指令。
它的作用是减少CPU对主存的访问次数，从而提高系统的运行速度。
Cache采用了一种快速访问的存储结构，通常由SRAM（静态随机存储器）构成。
2. Cache的工作流程（1）Cache分为多级，通常有L1、L2、L3等多级Cache。
L1 Cache距离CPU 最近，速度最快，容量最小，L2 Cache次之，L3 Cache再次之。
当CPU需要读取数据时，首先在L1 Cache中查找，如果找到则直接返回数据；如果没有找到，则继续在L2 Cache、L3 Cache和主存中查找，直到找到数据或者未找到。
（2）当CPU需要写入数据时，也会先在Cache中查找，如果找到则直接更新数据；如果没有找到，则需要从主存中读取相应的数据块到Cache中，然后再进行更新。
这样可以减少对主存的写入次数，提高写入效率。
3. Cache的优化策略（1）Cache的容量和速度是一对矛盾体，容量越大，速度越慢；容量越小，速度越快。
因此，设计Cache时需要权衡容量和速度的关系，根据不同的应用场景选择合适的Cache容量。
（2）Cache的替换策略是指当Cache已满时，如何选择替换哪些数据块。
常用的替换策略有随机替换、最近至少使用替换（LRU）等。
LRU替换策略是指替换最长期未被访问的数据块，以保证Cache中存储的是最常用的数据。
（3）Cache的预取策略是指在Cache中预先加载可能被使用到的数据块。
常用的预取策略有预取一致性（PC）和预取非一致性（NPC）。
PC策略是在访问一个数据块时，将其相邻的数据块一并加载到Cache中；NPC策略是根据程序的访问模式，预先加载可能被使用到的数据块。
计算机系统结构(高教版)张晨曦 习题答案 第五章
5.1 解释下列术语多级存储层次：由若干个采用不同实现技术的存储器构成的存储器系统，各存储器处在离CPU不同距离的层次上。
使得靠近CPU的存储器速度较快，容量较小。
整个存储系统的速度接近与离CPU最近的存储器的速度，而容量和每位价格接近于最低层次的容量和价格。
全相联映像：指主存中的任一块可以被放置到Cache中的任意一个位置。
直接映像：指主存中的每一块只能被放置到Cache中唯一的一个位置。
组相联映像：指主存中的每一块可以被放置到Cache中固定的一个组中的任意位置。
替换算法：由于主存中的块比Cache中的块多，所以当要从主存中调入一个块到Cache中时，会出现该块所映像的Cache块位置已经被占用的情况。
替换算法即解决如何选择替换块的问题。
LRU：最近最少使用法。
选择近期最少被访问的块作为被替换的块。
写直达法：在执行“写”操作时，不仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器中相应的块。
写回法：只把信息写入Cache中相应的块，该块只有在被替换时才被写回主存。
按写分配法：在写失效时，先把所写单元所在的块从主存调入Cache，然后再进行写入。
不按写分配法：写失效时，直接写入下一级存储器而不将相应的块调入Cache。
命中时间：CPU所要访问的块在Cache中，确认并取走所花费的时间开销。
失效率：CPU一次访存不命中的概率。
失效开销：CPU一次访存不命中，而额外增加的访存开销。
强制性失效：当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需从下一级存储器中调入Cache。
容量失效：如果程序执行执行时所需的块不能全部调入Cache中，则当某些快被替换后，若又重新被访问，就会发生失效。
冲突失效：在组相联或直接映像Cache中，若不多的块映像到同一组中，则会出现该组中某个块被别的块替换，然后又重新被访问的情况。
2：1 Cache经验规则：大小为N的直接映像Cache的失效率约等于大小为N/2的2路组相联Cache的失效率。
cache的基本状态
cache的基本状态
Cache是计算机系统中常见的一种高速缓存存储器，它用于暂时存储经常访问的数据，以便快速访问。
Cache的基本状态可以从多个角度来介绍：
1. 未命中状态，当CPU需要访问某个数据，而该数据并未在Cache中时，就会发生未命中状态。
这时CPU需要从主内存中读取数据，这个过程会比从Cache中读取数据慢很多，因为主内存的访问速度远远低于Cache。
2. 命中状态，当CPU需要的数据已经在Cache中，那么CPU就可以直接从Cache中读取数据，这种情况称为命中状态。
命中状态可以分为冷启动命中、冲突命中和命中。
3. 脏状态，当Cache中的数据被修改但是还没有被写回主内存时，就处于脏状态。
这种情况下，如果该数据被再次访问，就需要先将脏数据写回主内存，然后再从主内存中读取新的数据。
4. 干净状态，与脏状态相对，干净状态表示Cache中的数据和主内存中的数据一致，没有被修改过。
5. 有效状态，表示Cache中的数据是有效的，可以被使用。
6. 无效状态，表示Cache中的数据是无效的，需要从主内存中重新读取。
总的来说，Cache的基本状态包括未命中状态、命中状态、脏状态、干净状态、有效状态和无效状态。
这些状态在计算机系统中起着重要的作用，对系统的性能有着直接影响。
因此，合理地管理和利用Cache的状态对于系统的性能优化至关重要。
cache工作原理
cache工作原理一、概述Cache是计算机系统中常用的一种高速缓存技术，用于提高数据访问速度。
它是位于CPU和主内存之间的一层存储，通过存储最常用的数据和指令，减少CPU等待数据的时间，从而提高系统的整体性能。
本文将详细介绍Cache的工作原理。
二、Cache的组成1. Cache结构Cache由多个Cache行组成，每一个Cache行包含一个标记（Tag）、一组数据（Data）和一些控制位（Valid、Dirty等）。
2. Cache层次结构计算机系统中通常存在多级Cache，如L1 Cache、L2 Cache等。
L1 Cache位于CPU内部，速度最快，容量较小；L2 Cache位于CPU外部，速度较慢，容量较大。
多级Cache的目的是在速度和容量之间进行平衡。
三、Cache的工作流程1. 访问过程当CPU需要读取数据时，首先会在Cache中查找。
如果数据在Cache中命中（Hit），则直接从Cache中读取；如果未命中（Miss），则需要从主内存中读取数据，并将数据存入Cache中。
2. 命中率命中率是衡量Cache性能的重要指标，表示CPU在访问时命中Cache的比例。
命中率越高，Cache的效果越好。
命中率可以通过统计命中次数和访问次数来计算。
3. 替换策略当Cache已满且需要存储新数据时，需要进行替换操作。
常见的替换策略有随机替换、先进先出（FIFO）替换和最近至少使用（LRU）替换等。
其中，LRU替换策略根据数据的访问情况来选择替换的数据，通常能够获得较好的性能。
4. 写操作Cache支持读写操作，当CPU进行写操作时，有两种方式：写回（Write Back）和写直达（Write Through）。
写回方式先将数据写入Cache，当Cache行被替换时才写回主内存；写直达方式直接将数据写入Cache和主内存。
写回方式可以减少主内存的写操作，提高性能。
四、Cache的优化技术1. Cache块大小Cache块大小的选择对性能有重要影响。