浅谈高速缓冲存储器
计算机基础知识认识计算机存储器中的高速缓存
计算机基础知识认识计算机存储器中的高速缓存计算机存储器是计算机系统中的一个重要组成部分，用于存储和读取数据和指令。
而在计算机存储器中，高速缓存起着至关重要的作用。
它是一种特殊的存储器，通过存储临时数据来提高计算机的运行效率。
本文将介绍计算机存储器中高速缓存的定义、特点、类型以及工作原理等内容。
1. 高速缓存的定义高速缓存（Cache）是计算机存储器的一种，它是位于CPU内部或者靠近CPU的一个小容量存储器，用于存储最近被访问或者即将被访问的数据和指令。
它的存在可以减少CPU访问内存的次数，提高计算机系统的运行速度。
2. 高速缓存的特点（1）快速访问：高速缓存位于CPU内部或者靠近CPU，因此具有很高的访问速度，可以迅速响应CPU的请求。
（2）小容量：相比主存储器或者硬盘等大容量存储器，高速缓存的容量较小，一般只有几十KB到几十MB。
这是为了提高缓存的命中率，并保持其快速访问的特点。
（3）自动管理：高速缓存的管理由硬件来完成，而不需要用户或者软件干预。
硬件可以根据缓存的策略来自动决定是否将数据从主存储器加载到缓存中，以及何时将缓存中的数据写回主存储器。
3. 高速缓存的类型根据在计算机系统中的位置和层次结构，高速缓存可以分为多级缓存。
常见的高速缓存类型包括一级缓存（L1 Cache）、二级缓存（L2 Cache）和三级缓存（L3 Cache）。
一级缓存位于CPU内部，速度最快；而二级缓存和三级缓存则通常位于CPU外部或者与主存储器相连，速度相对较慢。
4. 高速缓存的工作原理高速缓存的工作原理可以简单描述为以下几个步骤：（1）当CPU需要访问数据或指令时，首先会在高速缓存内进行搜索。
如果搜索成功，并且缓存中的数据是最新的，即命中缓存（Cache Hit）。
（2）如果搜索失败，即缓存中不存在所需的数据或指令，就会发生缓存未命中（Cache Miss）。
（3）当发生缓存未命中时，CPU会从主存储器中加载所需的数据或指令，并将其存储到高速缓存中。
高速缓冲存储器名词解释
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。
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的原理
高速缓冲存储器cache的原理高速缓冲存储器（Cache）原理简介什么是高速缓冲存储器•高速缓冲存储器（Cache）是计算机体系结构中一种用于提高数据传输速度的存储器层次结构。
•它位于处理器和主存储器之间，作为一个中间层，存储处理器频繁使用的数据，以提供更快的访问速度。
高速缓冲存储器的工作原理1.局部性原理–高速缓冲存储器的设计基于计算机程序的局部性原理。
–局部性原理包括时间局部性和空间局部性两个方面。
–时间局部性指的是在一段时间内，CPU对某些数据的访问很频繁。
–空间局部性指的是当访问某个地址时，很可能在不久的将来还会访问附近的地址。
2.缓存工作原理–高速缓冲存储器通过存储最近使用的数据来加速访问速度。
–缓存采用一种称为缓存行的数据块单位，将主存储器中的数据缓存在缓存中。
–缓存行的大小一般为2^n字节，其中n为缓存行地址的位数。
–当CPU需要从主存储器中读取数据时，首先会检查缓存中是否有对应的缓存行。
–如果有，称为缓存命中；如果没有，称为缓存未命中。
3.缓存命中–当缓存命中时，CPU可以直接从缓存中读取数据，避免了对主存储器的访问，大大提高了访问速度。
–同时，缓存还可以缓存下一条指令，提前加载到缓存中，以等待CPU的执行。
4.缓存未命中–当缓存未命中时，需要从主存储器中读取数据，此时会引起一定的延迟。
–缓存未命中会触发缓存替换算法，将最近最少使用的缓存行替换出去，腾出空间存放新的缓存行。
5.缓存替换算法–常见的缓存替换算法有最近最久未使用（LRU）、先进先出（FIFO）和随机替换等。
–这些算法会根据缓存行的使用频率等因素来进行替换决策。
–替换算法的选择往往取决于不同的应用场景和硬件架构。
高速缓冲存储器的优势与应用•高速缓冲存储器极大地提高了计算机的性能和效率。
•它可以减少CPU对主存储器的访问次数，缩短了数据传输的时间。
•高速缓冲存储器被广泛应用于各种计算机硬件架构中，包括个人电脑、服务器和嵌入式系统等。
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）。
高速缓冲存储器相关知识
高速缓冲存储器高速缓冲存储器（Cache）其原始意义是指存取速度比一般随机存取记忆体（RAM）来得快的一种RAM，一般而言它不像系统主记忆体那样使用DRAM技术，而使用昂贵但较快速的SRAM技术，也有快取记忆体的名称。
一、基本概念在计算机存储系统的层次结构中，介于中央处理器和主存储器之间的高速小容量存储器。
它和主存储器一起构成一级的存储器。
高速缓冲存储器和主存储器之间信息的调度和传送是由硬件自动进行的。
某些机器甚至有二级三级缓存，每级缓存比前一级缓存速度慢且容量大。
而这时，一开始的高速小容量存储器就被人称为一级缓存。
二、组成结构高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器，由静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多，接近于CPU的速度。
主要由三大部分组成：Cache存储体：存放由主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。
三、作用介绍在计算机技术发展过程中，主存储器存取速度一直比中央处理器操作速度慢得多，使中央处理器的高速处理能力不能充分发挥，整个计算机系统的工作效率受到影响。
有很多方法可用来缓和中央处理器和主存储器之间速度不匹配的矛盾，如采用多个通用寄存器、多存储体交叉存取等，在存储层次上采用高速缓冲存储器也是常用的方法之一。
很多大、中型计算机以及新近的一些小型机、微型机也都采用高速缓冲存储器。
高速缓冲存储器的容量一般只有主存储器的几百分之一，但它的存取速度能与中央处理器相匹配。
根据程序局部性原理，正在使用的主存储器某一单元邻近的那些单元将被用到的可能性很大。
因而，当中央处理器存取主存储器某一单元时，计算机硬件就自动地将包括该单元在内的那一组单元内容调入高速缓冲存储器，中央处理器即将存取的主存储器单元很可能就在刚刚调入到高速缓冲存储器的那一组单元内。
于是，中央处理器就可以直接对高速缓冲存储器进行存取。
高速缓冲存储器Cache简介
高速缓冲存储器Cache简介○王军评估计算机的主要性能指标之一是运行速度。
计算机的程序是在C PU中执行的,而平时程序和数据则存放在存储器中。
存储器分为外部存储器(如软盘、硬盘、磁带等)和内部存储器。
外部存储器容量大,速度慢,内部存储器容量小,速度快。
内存的使用在一定程度上解决了高速C PU和慢速存储设备之间速度上的矛盾。
但C PU和内存之间仍然存在速度上不匹配的矛盾。
为充分利用C PU的运行速度。
在C PU和内存之间又引入了高速缓冲存储器(C ac he)。
一、Cache的基本概念高速缓冲存储器Ca che是位于C PU和主存储器之间容量小而速度快的存储器,通常由SR AM(静态R A M)组成。
随着微电子技术和计算机技术的发展,CPU的工作频率越来越高,DR AM(动态R A M)可以用最低的价格和最小的体积提供更大的存储器空间,但是DR AM的速度难以满足C PU 的要求,因而访问系统存储器时都要插入等待周期,这对高速C PU来说是一种极大的浪费。
采用C ache技术是一种现实的解决问题的方法。
S R AM可以提供最高的总线性能。
由S R AM组成的C ac he即是把主存储器看作是高速存储器而设置的小容量局部存储器,这种高速存储器是面向C PU工作的存储器,存储C PU常用的数据和代码,Ca che的有效性是利用了程序对存储器的访问在时间和空间上具有局部区域性的特性,即对大多数程序来说,在某个时间片内会集中重复地访问某一个特定的区域。
C ac he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(T a g)。
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FRA M E E t h er n et—I IFRA M E E t h er n et—SNA PN e t W ar e DO S Requ es t erFI R ST N E TW O RK D RI V E=FN ET W A R E PR O TO CO L=N D S BI N D此时假设使用N E2000网卡,中断号为5,端口地址为300。
数据库系统工程师知识点精讲之高速缓冲存储器
数据库系统工程师知识点精讲之高速缓冲存储器高速缓冲存储器Cache的功能是提高CPU数据输入输出的速率，突破所谓的“冯•诺依曼瓶颈”，即CPU与存储系统间数据传送带宽限制。
高速存储器能以极高的速率进行数据的访问，但因其价格高昂，如果计算机的内存完全由这种高速存储器组成则会大大增加计算机的成本。
通常在CPU和内存之间设置小容量的高速存储器Cache。
Cache容量小但速度快，内存速度较低但容量大，通过优化调度算法，系统的性能会大大改善，仿佛其存储系统容量与内存相当而访问速度近似Cache。
1．Cache基本原理使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理。
依据局部性原理，把内存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,再从内存中读取该数据，然后同时送往CPU和Cache。
如果CPU需要访问的内容大多都能在Cache中找到（称为访问命中），则可以大大提高系统性能。
如果以h代表对Cache的访问命中率(“1-h”称为失效率，或者称为未命中率)，t1表示Cache的周期时间，t2表示内存的周期时间，以读操作为例，使用“Cache+主存储器”的系统的平均周期为t3，则：计算机硬件基础系统的平均存储周期与命中率有很密切的关系，命中率的提高即使很小也能导致性能上的较大改善。
例如：设某计算机主存的读/写时间为100ns，有一个指令和数据合一的Cache，已知该Cache的读/写时间为10ns，取指令的命中率为98%，取数的命中率为95%。
在执行某类程序时，约有1/5指令需要存/取一个操作数。
假设指令流水线在任何时候都不阻塞，则设置Cache后，每条指令的平均访存时间约为：(2%×100ns+98%×10ns)+1/5×(5%×100ns+95%×10ns)=14.7ns2．映射机制当CPU发出访存请求后，存储器地址先被送到Cache控制器以确定所需数据是否已在Cache中，若命中则直接对Cache进行访问。
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浅谈高速缓冲存储器
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。
下面主要谈谈两种高速缓冲存储器、它的作用及发展趋势。
一、高速缓冲存储器Cache 我们通常都认为计算机的速度是由CPU决定的,但是还要有其它的硬件或软件来充分发挥它的速度。
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,为了弥补这个差距,人们在主存储器和CPU之间设置一种高速缓冲存储器Cache。
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。
高速缓冲存储器Cache中的数据是主存储器的副本,在程序运行中,当需要取指令或数据时,CPU先检查高速缓冲存储器Cache中是否有内容,若有就从Cache中取出,否则从主存储器取出,这样就充分发挥了CPU的潜力。
在486的机种中经常配备高速缓冲存储器Cache,与主存储器相比,它的工作性质是不同的。
简单地说,Cache是针对CPU作输入输出动作的,而主存储器是针对总线作输入输出动作的,因此Cache比主存储器的速度快。
现在486机型一般配置有256K的Cache,Cache并不是越大越好,一般有256K就足够了。
另外,如果机器本身没有配备硬件Cache,可以使用某些工具软件(如PC TOOLS,NORTON等)控制的Cache功能,也能达到同样的效果。
二、磁盘高速缓冲存储器SMARTDRV SMARTDRV.EXE是DOS 6.2中的外部设备驱动程序。
用此程序可启动或设置磁盘高速缓冲存储器。
与
Cache不同,Cache是充分发挥了CPU的速度,而SMAR TDRV是加快了磁盘的读写速度。
在实际应用中,SMAR TDRV.EXT高速缓存驱动程序将记住每次应用程序使用磁盘的磁盘扇区数据,不用再访问磁盘驱动器,而是访问内存中已包含这些数据的区域。
磁盘高速缓冲存储器SMARTDRV速度比磁盘快得多,但它也使用了一定数量的内存用于存放高速缓存驱动程序和高速缓冲存储器本身。
为减少磁盘高速缓存占用内存的数量,磁盘高速缓冲存储器SMARTDRV是建立在扩展内存中的。
当使用磁盘高速缓存时,SMARTDRV可以在系统提示符下、AUTOEX-EC.BAT或CONFIG.SYS文件中装入。
读取命中率：CPU在Cache中找到有用的数据被称为命中，当Cache中没有CPU所需的数据时（这时称为未命中），CPU才访问内存。
从理论上讲，在一颗拥有2级Cache的CPU中，读取L1Cache 的命中率为80%。
也就是说CPU从L1Cache中找到的有用数据占数据总量的80%，剩下的20%从L2Cache读取。
由于不能准确预测将要执行的数据，读取L2的命中率也在80%左右（从L2读到有用的数据占总数据的16%）。
那么还有的数据就不得不从内存调用，但这已经是一个相当小的比例了。
在一些高端领域的CPU（像Intel的Itanium）中，我们常听到L3Cache，它是为读取L2Cache后未命中的数据设计的—种Cache，在拥有L3Cache的CPU中，只有约5%的数据需要从内存中调用，这进一步提高了CPU的效率。
为了保证CPU访问时有较高的命中率，Cache中的内容应该按一定的算法替换。
一种较常用的算法是“最近最少使用算法”（LRU算
法），它是将最近一段时间内最少被访问过的行淘汰出局。
因此需要为每行设置一个计数器，LRU算法是把命中行的计数器清零，其他各行计数器加1。
当需要替换时淘汰行计数器计数值最大的数据行出局。
这是一种高效、科学的算法，其计数器清零过程可以把一些频繁调用后再不需要的数据淘汰出Cache，提高Cache的利用率。
高速缓冲存储器的技术发展：总之，在传输速度有较大差异的设备间都可以利用高速缓冲存储器作为匹配来调节差距，或者说是这些设备的传输通道。
在显示系统、硬盘和光驱，以及网络通讯中，都需要使用Cache技术。
但Cache均由静态RAM组成，结构复杂，成本不菲，使用现有工艺在有限的面积内不可能做得很大，不过，这也正是技术前进的源动力，有需要才有进步!。