高速缓冲存储器名词解释
第四章-存储器04-高速缓冲存储器
Cache 000 001 010 011 100 101 110 111 000 001 010 011 100 101 110 111
调入
4.1、地址映象——直接映像
例2：设一个Cache中有8块，访问主存进行读操作的块地址依次为： 10110、11010、10110、11010、10000、00100、10010， 求每次访问时Cache的内容。
硬件完成功能： 访存地址 转成 Cache地址 辅助存储器
Cache 的全部功能都是 由硬件完成的， 对程序员来说是透明的。
4.1、地址映象
映象：其物理意义就是位置的对应关系，将主存地址变成Cache地址。
常见的映象方式主要有三种： 1）直接映象 2）全相联映象 3）组相联映象
CPU Cache 字 数据总线 字
2位 主存区号标记 00 主存块号 比较 3位 区内块号 100 Cache块号 未命中 访问内存 000 001 010 011 100 101 110 111 块内地址 块内地址
Cache
000 001 010 011 100 101 110 111
调入
块表 000 001 010 011 100 101 110 111
4、高速缓冲存储器（Cache）
考研试题精选：
假设：CPU执行某段程序时，共访问Cache 3800 次，访问主存200 次，已知Cache存取周期为50ns，主存存取周期为250ns。
求：Cache—主存系统的平均存取时间和效率。 解： 系统命中率 h = 3800 / 3800 + 200 = 0.95
Cache
000 001 010 011 100 101 110 111 调入
块表 000 10 001 010 11 011 100 101 110 10 111
第4章半导体存储器-4.2高速缓冲存储器Cache
3、存储器管理
虚拟存储器：虚拟存储器是由主存－辅存物理结构和负责信息块 划分以及主存－辅存之间信息调度的存储器管理部件(MMU)的 辅助硬件及操作系统的存储器管理软件所组成的存储系统。 管理方式：页式虚拟存储器、段式虚拟存储器、段页式虚拟 存储器 虚拟地址：能访问虚拟空间的指令地址码称为虚拟地址。 物理地址：实际的主存地址。
地址对准实际上是保证数据的对准。 未对准的数据要在CPU内部经过字节交换，使其在数据线 上对准存储体。 非对准的字要两个总线周期，对相邻的两个字进行两次操 作，在CPU内部经过字节交换，最终完成读写。
№ 13
2、替换策略
先进先出FIFO：选择最早装入快存的页作为被替换 的页； 最近最少使用策略LRU：选择CPU最近最少访问的页 作为被替换的页
AD0 L H L H
读写的字节 两个字节（AD15—AD0） 高字节（AD15—AD8） 低字节 （AD7—AD0） 不读写
如何连接，满足读写一个字节的需要，又能达到读一个字（低 № 10 位字节在偶地址）？
� � � �
1、存储器的奇偶分体 偶地址（从0开始）单元组成偶存储体， 奇地址单元组成奇存储体。 偶体、奇体共同组成16位存储器系统 。 16位读写是从偶体中选中1个单元、 再从地址加1的奇体中选中1个单元同时读写 。
虚地址
…
段式虚拟存储器的映像
3）段页式虚拟存储器
3、段页式虚拟存储器 虚地址
基号
段号
段表 0
页号
页表
页内地址 实地址
段基址表 0 L N-1
段表 段表 长度 基址 ‥ 1 L-1
M
装入 段长 位
页表 下址
实页 装入 号 位
访问 方式
CPU术语大全
CPU术语大全CPU大家都知道，是中央处理器，电脑的核心，那么，CPU 术语，大家了解吗? 小编在这里给大家介绍CPU术语的相关知识。
(1)cache：高速缓冲存储器一种特殊的存储器子系统，其中复制了频繁使用的数据，以利于CPU快速访问。
高速缓冲存储器存储了频繁访问的RAM位置的内容及这些数据项的存储地址。
当处理器引用存储器中的某地址时，高速缓冲存储器便检查是否存有该地址。
如果存有该地址，则将数据返回处理器;如果没有保存该地址，则进行常规的存储器访问。
因为高速缓冲存储器总比主RAM存储器速度快，所以当RAM的访问速度低于微处理器的速度时，常使用高速缓冲存储器。
(2)clock：时钟计算机内部的一种电子电路，用来生成稳定的定时脉冲流，即用来同步每一次操作的数字信号。
计算机的时钟频率是决定计算机运行速度的主要因素之一，因此在计算机的其他部件允许的范围内，频率越高越好，也作systemclock。
(3)Complex Instruction Set Computing (CISC)：复杂指令集计算它是在微处理器设计中一种对复杂指令的实现方案，通过这种实现方案就可以在汇编语言级别上调用这些指令。
这些复杂指令的功能相当强大，它们能灵活地计算诸如内存地址之类的元素。
(4)Direct Memory Access (DMA)：直接内存访问在外围设备和主存之间开辟直接的数据交换通路的技术。
CPU工作时，所有工作周期都用于执行CPU的程序。
当外围设备将要输入或输出的数据准备好后，挪用一个工作周期，供外围设备和主存直接交换数据。
这个周期之后，CPU又继续执行原来的程序。
这种方式是在输入输出子系统中增加了DMA控制器来代替原来CPU 的工作，而使成批传送的数据直接和主存交互，由DMA部件对数据块的数据逐个计数并确定主存地址。
(5)Central Processing Unit (CPU)：中央处理单元计算机的计算和控制单元。
高速缓冲存储器
3.7 高速缓冲存储器高速缓冲存储器的功能是提高CPU数据输入/输出的速率，突破所谓的存储器瓶颈问题，即CPU与存储系统间数据传送带宽限制。
高速缓冲存储器能以极高的速率进行数据的访问，但因其价格高昂，所以只在CPU和主存之间添加少量的Cache，利用程序的局部性原理来进行工作。
3.7.1 程序访问的局部性原理程序访问的局部性有两个方面的含义：时间局部性和空间局部性。
时间局部性是指最近的访问项（指令/数据）很可能在不久的将来再次被访问（往往会引起对最近使用区域的集中访问），而空间局部性是指一个进程访问的各项地址彼此很近。
换句话说，就是最近的、未来要用的指令和数据大多局限于正在用的指令和数据，或是存放在与这些指令和数据位置上邻近的单元中。
这样，就可以把目前常用或将要用到的信息预先放在存取速度最快的存储器中，从而使CPU的访问速度大大提高。
依据局部性原理，把主存储器中访问概率高的内容存放在Cache中，当CPU需要读取数据时，首先在Cache中查找是否有所需内容，如果有则直接从Cache中读取；若没有再从主存中读取该数据，然后同时送往Cache和CPU。
如果CPU需要访问的内容大多都能在Cache中找到（称为命中），则可以大大提高系统性能。
3.7.2 Cache的基本工作原理如图3-13所示给出了Cache的基本结构。
Cache和主存都被分成若干个大小相等的块，每块由若干字节组成。
由于Cache的容量远小于主存的容量，所以Cache的块数要远少于主存的块数，它保存的信息只是主存中最活跃的若干块的副本。
用主存地址的块号字段访问Cache标记，并将取出的标记和主存地址的标记字段相比较，若相等，说明访问Cac he有效，称Cache命中，若不相等，说明访问Cache无效，称Cache不命中或失效，而此时需要从主存中将该块取出至Cache中。
当CPU发出读请求时，如果Cache命中，就直接对Cac he进行读操作，与主存无关；如果Cache不命中，则仍需访问主存，并把该块信息一次从主存调入Cache内。
高速缓冲存储器Cache
块 0 …… G b-1 Gb …… 2G b-1 ……
组 0 组 1 0
区
G bC g-G b 组 C g-1 …… C b-1=G bC g-1 ……
G bC g(M e -1) C g(M e -1) …… …… G bC g(M e -1)+G C b-G b=C gG b- G bC g(M e -1)+G b-1 C g-1 C gM e -C g+1 … … …b … G b C b-1=C gG b-1 G bC g(M e -1)+2 M e -1 Cache G b-1 块 2 …… （ C b-1 ） M e -G b=G bC gM C gM e -1 … … e -G b M b-1=G bC gM e - 主存 储器 1 组相联映象方式
CPU X’ Cache
I/O
CPU X’ Cache
I/O
主存储器
X
主存储器
X
(a) CPU写Cache (b) I/O写主存 Cache与主存不一致的两种情况
Cache的透明性
写回法（抵触修改法，WB）：是在CPU执行 写操作时，信息只写入Cache，仅当需要被替 换时，才将以被写入过的Cache块先送回主存， 然后再调入新块。 写直达法（直达法，WT）：利用Cache—主存 存储层次在处理机和主存之间的直接通路，每 当处理机写入Cache的同时，也通过此通路直 接写入主存。
由于 tm /(tm tc ) 1 因此
1
不管Cache本身的速度有多高，只要Cache 的命中率有限，那么采用Cache-主存存储 层次后，速度能提高的最大值是有限的， 不会超过 1
高速缓冲存储器
高速缓冲存储器（Cache）
–Cache的写操作
Cache中的块是主存中相应块的副本。如果程序执
行过程中要对某块的某单元进行写操作，有两种方法：
（1）标志交换方式（写回法）：即只向Cache写入，
并用标志注明，直至该块在替换中被排挤出来，才将该
块写回主存，代替未经修改的原本；
12/
高速缓冲存储器（Cache）
（t，T）表示，也称之为工作集合。 根据程序访问局部 化性质，W（t，T）随时间的变化是相当缓慢的。把这 个集合从主存中移至（读出）一个能高速访问的小容量 存储器内，供程序在一段时间内随时访问，大大减少程
序访问主存的次数，从而加速程序的运行。
6/
高速缓冲存储器（Cache）
（2）这个介于主存和CPU之间的高速小容量存储器就称 为Cache。所以，程序访问局部化性质是Cache得以实现 的原理基础，而高速（能与CPU匹配）则是Cache得以
高速缓冲存储器（Cache）
–Cache的读操作
CPU进行读存储器作时，根据其送出的主存地址区分两 种不同情况： （1）一种是需要的信息已在Cache中，那末直接访问 Cache就行了； （2）另一种是所需信息不在Cache中，就要把该单元 所在的块从主存调Cache。后一种情况又有两种实现方 法：一种是将块调入Cache后再读入CPU；另一种读直 达（读直达通路）。在调入新的块时，如果Cache已占 满，这就产生替换，由替换控制部件按已定的替换算法 实现。
如果进程切换发生在用户程序因为系统运行管理程
序、处理I/O中断或时钟中断时，QSW值越小，表明
由管理程序切换至原来的用户程序越块，Cache中
（2）写直达法：即在写入Cache的同时，也写入
组成原理课件 - 高速缓冲存储器
主存地址
访问主存 替换Cache 替换机构 块号 N
调入？
块内地址
N
命中？
地址映象表 Y 块号 块内地址
主 存
访问主存装入Cache 数据直接通路
Y CACHE
Cache 地址
数据总线
CPU
在访问存储器时，根据主存地址的低位部分在地址映象表中 查找标志并与主存地址的高位部分进行比较，相同命中，将高速 CACHE中数据送CPU，不相同从主存调入数据，再送入CPU。 地址变换和替换算法均用硬件实现，CACHE对程序员是透明的。
2、全相联映象：每个主存块可映象到任何CACHE块的地址映象。
主存块号
第0块 第1块 ……. 第N-1块 第M(N-1) 第0块 第1块
块内地址
不相等 块失效
找 1 2 主存块号标志
CACHE块号
在访问操作时，根据地址中的块号在块表中查找是否有相同的主存 块号。如果有，则表示CACHE命中，将对应的CACHE块号取出并 对CACHE进行访问，如果没有，则CACHE没有命中，需对主存访 问，在将主存中的块调入CACHE中的同时将主存块号写入块表中， 以改变地址映象关系。 特点：是最灵活的地址映象方式，地址是映象算法复杂，需要采用 相联存储器，适合小容量的CACHE，速度慢。
主存块号 主存储器 0 1 2 ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： 字块0 字块1 字块2
标记 0 1
Cache
： ： ： ： 字块0 字块1
2c-1
~ ~
： ： ： ：
~ ~
字块C-1
~ ~ 2m-1
~ ~
字块M-1 M= 2m
C = 2c
（1）CACAHE命中：CPU访问的数据或指令已存在于CACHE中。
高速缓冲存储器
Cache的实现原理是：将CPU最近最可能用到的指令或数据从主存复制到Cache中，当CPU下次再用到 这些信息时，就不必访问慢速的主存，而直接从快速的Cache中得到，从而提高访问速度。
Cache的工作原理
当 CPU 发 出 读 命 令 时 ， Cache 控 制部件先要检查CPU送出的地址，判 断 CPU 要 访 问 的 地 址 单 元 是 否 在 Cache 中 。 若 在 ， 称 为 Cache 命 中 ， CPU 就 可 直 接 从 Cache 中 访 问 ； 若 不 在，则称为Cache未命中（或失效）， 这时就需要从内存中访问，并把与本 次访问相邻近的存储区内容复制到 Cache中，以备下次使用。组内全相联映来自的方法。高速缓冲存储器
1.3 Cache的替换策略
当CPU访问的数据不在Cache中（即Cache未命中）时，就要访问主存，并把数据所在的页调入Cache，以 替换Cache中的页。
从C随ac机he替中换随算机法地选 一页替换。
先进选先择出最（先F调IF入O的）页算法 替换
最近最少使用（LRU） 选择最算近法最少使用 的页替换。
写 贯 穿 法 （ WT ） ： 在 对 Cache 进 行 写 操作的同时，也写入主存。
回 写 法 （ WB ） ： 在 对 Cache 进行写操作时，不写入主存，只是 在Cache中加以标记。只有当Cache 中的数据被再次更改时，才将原更 新的数据写入主存。
微机原理与接口技术
高速缓冲存储器
1.2 Cache的地址映射
被复制到Cache中的数据在内存中的地址与在Cache 中的地址之间的对应关系称为Cache的地址映射。
为了方便管理，将主存和Cache都分成大小相等的 若干页。设主存容量为2n，Cache容量为2m，页的大小 为2p（即页内地址有p位），则主存的页号（即页地址） 共有n－p位，Cache页号共有m－p位。这样，在进行地 址映射时，就是把主存页映射到Cache页上（即页号的 映射）。
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高速缓冲存储器名词解释
高速缓冲存储器（CacheMemory）是计算机系统中用来加快访问
速度的一种临时存储器。
它可以被看作是内存系统中一层虚拟存储器，能够有效地把系统从内存、磁盘等设备中获取的数据以及未来所需要的数据暂存到cache memory中。
简言之，cache memory是一种可
用来为CPU加速数据访问速度的存储器，是由CPU直接访问的一种高速存储器。
高速缓冲存储器由三个部分组成：cache级（cache level）、cache 缓存行（cache line）和cache单元（cache cell）。
cache是一组
缓存行的集合，是 cache memory最小单元。
cache是由一组相连接
的 cache line成。
cache line括一组相同大小的 cache元，每个
单元根据它的作用可分为三类：索引（index）、标记（tag）、数据（data）。
cache可以将源数据分成多个子集，并将其中一部分存储到cache memory 中，以便快速访问。
cache据地址映射（address mapping）原理，将一段内存区域缩小，便于数据的快速访问。
当 CPU求某条
指令时，它会首先检查 cache 中是否已经缓存了这条指令，如果缓
存中有，就可以从 cache 中取出该指令，省去了访问主存的时间，
这样就提高了 CPU运算速度。
除此之外，高速缓冲存储器还利用了多级缓存（multi-level cache）技术，把cache memory分为多级，从而提高了 cache memory 命中率。
在这种技术下，如果一级缓存（L1 cache）中没有找到所要访问的数据，则会再到二级缓存（L2 cache）中查找。
如果L2 cache
中也没有相应的数据，则会再去其他更高级的缓存中查找，直至主存中的数据被访问到。
多级缓存的出现大大提高了 cache memory性能，大大提升了整个系统的访问效率，从而使CPU能更加高效地运行程序。
此外，高速缓冲存储器还使用了预取技术（prefetching），即当预计需要某些数据时，就提前将其放到 cache memory 中，方便 CPU 行操作。
总之，高速缓冲存储器是计算机系统中实现高效率访问内存数据和程序加载的重要组成部分。
综上所述，高速缓冲存储器是计算机系统中用来提高访问性能的一种重要内存器。
它是由 CPU接访问的一种高速存储器，其功能是
缓存数据，提高 CPU访问速度。
同时，它也可以采用多级缓存和预
取技术来管理 cache memory，从而使 CPU行更加高效。
另外，Cache memory也是片上存储器（on-chip memmory）和片外存储器
（off-chipmemory）之间的桥梁，起着重要的技术和作用。