高速缓冲存储器cache的原理
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原理
CБайду номын сангаасche
2、组成：Cache是由高速小容量存储器及其控制电路 组成，其速度大大快于低速部件，至少等于快速 部件；相对于低速部件的大容量而言，小容量使 其附加的费用不高； Cache的工作位置介于两部件 之间。微型机中使用Cache的地方有CPU~内存、 内存~外存储器。CPU~内存的Cache目前做在微处 理器芯片内（如Pentium…)；主存~外存储器则做 在外存储器内（如硬盘、光驱…）。
Cache
例（估算Cache的作用） ：设CPU内核时钟 f1=1.0GHz，总线时钟f2=100MHz（=内存速度）； L1 CACHE=32KB，命中率H1=80%；L2 CACHE=64KB，命中率H21=86%；L2 CACHE=128 KB，命中率H22=90%。比较在无 CACHE和L2 CACHE半速/全速下内存子系统的等 效速度。 内存等效平均访问周期： T=H1/f1+(1-H1)H2/f1'+(1-H1)(1-H2)/f2 其中L2全速时f1'=f1；半速时f1'=f1/2 内存等效平均速度 f=1/T
1 2 3 4 5 6
× 1×80% =0.8 0.8 0.8 0.8 0.8
Cache
3、工作原理（CPU~内存为例）
⑴、CPU要读取内存数据，首先 通过地址总线发送内存单元 地址，该地址经过Cache时被 Cache的电路与存储在其内的 数据的单元的块地址做高速 比较，若有相同的，则Cache 内有CPU要的数据，这称为 命
８Ｂ块地址例： 块地址例： 00000000 00H 00000001 01H 00000010 02H 00000011 03H 00000100 04H 00000101 05H 00000110 06H 00000111 07H
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
cache工作原理
cache工作原理一、概述Cache是计算机系统中的一种高速存储器，用于存储最常访问的数据，以提高系统的运行效率。
它位于CPU和主存之间，作为CPU与主存之间的缓冲区，减少了CPU对主存的访问次数，从而加快了数据的访问速度。
二、Cache的组成Cache由多个Cache块组成，每个Cache块包含一个标签（Tag）、一个有效位（Valid Bit）和一个数据块（Data Block）。
1. 标签（Tag）：用于标识Cache块中存储的数据的地址范围，与主存的地址进行比较，确定是否命中Cache。
2. 有效位（Valid Bit）：用于表示Cache块中的数据是否有效，当有效位为1时，表示Cache块中的数据有效；当有效位为0时，表示Cache块中的数据无效。
3. 数据块（Data Block）：用于存储从主存中读取的数据。
三、Cache的工作原理Cache的工作原理可以分为两个阶段：读取阶段和写入阶段。
1. 读取阶段当CPU需要读取数据时，首先会将要读取的数据的地址发送给Cache。
Cache会根据地址的标签与Cache中的标签进行比较，判断是否命中Cache。
如果命中Cache，则直接从Cache中读取数据，提高了数据的访问速度。
如果未命中Cache，则需要从主存中读取数据，并将数据存储到Cache中，以备下次访问。
2. 写入阶段当CPU需要写入数据时，首先会将要写入的数据的地址和数据发送给Cache。
Cache会根据地址的标签与Cache中的标签进行比较，判断是否命中Cache。
如果命中Cache，则直接将数据写入到Cache中，并将有效位设置为1，表示数据有效。
如果未命中Cache，则需要将数据写入主存，并更新Cache中对应地址的数据块。
四、Cache的替换策略由于Cache的容量有限，当Cache已满时，需要替换掉一个Cache块以腾出空间存储新的数据。
常见的替换策略有三种：随机替换、先进先出替换（FIFO）和最近最少使用替换（LRU）。
计算机组成原理——cache高速缓存存储器
计算机组成原理——cache⾼速缓存存储器cache-⾼速缓存存储器在主存与CPU之间插⼊⼀级或多级SRAM组成的⾼速缓存存储器。
扩展cache有限，因为SRAM价格昂贵。
cache作⽤：为了解决CPU和主存之间速度不匹配⽽采⽤的⼀项重要技术。
cache特性：具有空间局部性以及时间局部性。
cache的组成：SRAM和控制逻辑。
如果cache在CPU芯⽚外，它的控制逻辑⼀般和主存控制逻辑合成在⼀起，称主存/cache控制器。
若cache在CPU 内，则由CPU提供它的控制逻辑。
CPU与cache之间的数据交换是以字为单位，⽽cache与主存之间的数据交换是以块为单位。
⼀个块由若⼲字组成，是定长的。
cacheache的命中率：为了使主存的平均读出时间尽可能接近cache的读出时间，cache命中率应接近于1.地址映射含义：为了把主存块放到cache中，必须应⽤某种⽅法把主存地址定位到cache中，称作地址映射。
地址映射⽅式：全相联映射⽅式、直接映射⽅式和组相联映射⽅式。
全相联映射⽅式⼩结：（1）在全相联cache中，全部标记⽤⼀个相联存储器来实现，全部数据⽤⼀个普通RAM来实现。
（2）优点”冲突率⼩，cache利⽤率⾼（3）缺点：⽐较器难于设计与实现（4）只适⽤⼩容量cache。
直接映射⽅式⼩结：（1）优点：硬件简单，成本低。
（2）缺点：每个主存块只有⼀个固定得⾏位置可存放。
（3）发⽣冲突率⼤。
（如果块号相距m整数倍得两个块存于同⼀cache⾏时）（4）适合⼤容量cache.组相联映射⽅式⼩结：适度兼顾了“全相联映射⽅式”和“直接映射⽅式”的优点以及尽量避免两者的缺点。
替换策略含义：当⼀个新的主存块需要拷贝到cache，⽽允许存放块的⾏位置都被其他主存占满时，就要产⽣替换。
适合的地址映射⽅式：全相联映射⽅式和组相联映射⽅式（1）最不经常使⽤（LFU）算法含义：将⼀段时间内被访问次数最少的那⾏数据换出。
简述cache的工作原理
简述cache的工作原理Cache（缓存）是计算机中常用的一种技术，其主要作用是提高数据访问速度和效率。
Cache技术的最主要工作原理是将经常访问的数据存入到高速缓存中，以便在之后的访问中能够更快地读取。
下面将对Cache的工作原理进行详细的介绍。
Cache采用一种层次式存储结构，与主存储器进行数据交换。
当 CPU 需要访问内存中的某个单元时，Cache 先进行检索，若找到该单元，则直接将其读取。
若没有找到该单元，则需要将主存中的数据存储到 Cache 这一层以便之后的读取。
Cache的访问速度比主存储器快的多，因此通过将经常访问的数据存储到 Cache 中，CPU 可以更快地访问到数据并进行计算。
Cache 的工作原理主要可分为以下几个步骤：1. 读取阶段。
这一阶段当 CPU 发送请求到 Cache 时，Cache 先检查该内存地址是否在 Cache 中存在，如果存在，就直接将对应的数据传输给 CPU；如果不存在，则进入下一步操作。
2. 查找阶段。
这一阶段 Cache 将会扫描是否存在请求的内存地址，如果找到了，则返回该内存地址所对应的缓存块；如果没找到，则继续执行下一步操作。
3. 替换阶段。
这一步是针对 Cache 中的容量有限的情况，假如Cache中已经存储了足够多的数据，但是需要存储的数据之前并没有被缓存（称为Cache miss），因此需要将Cache中最近最少被使用的数据替换，并将这些新数据写入 Cache 中。
4. 写回周期。
这一阶段是指当 Cache 中的数据发生改变时，在下一次访问内存块时，Cache 不仅会将新数据传回内存存储，而且也会更新Cache 中相应的缓存块，确保 Cache 中的数据与内存中的数据保持同步。
通过上述过程，Cache 可以减少内存访问产生的时间延迟，从而加快计算机系统的运行速度。
在实际应用中，为了避免Cache miss 和 Cache 内存储器的容量限制，可以采取多级Cache 或 Cache 缓冲区的形式进行优化。
cache计算机组成原理
cache计算机组成原理小伙伴们！今天咱们来唠唠计算机组成原理里超级有趣的一个东西——Cache（高速缓冲存储器）。
你可以把计算机想象成一个超级大的办公室。
这里面有各种各样的员工（部件）在忙忙碌碌地干活。
而Cache呢，就像是办公室里最机灵的小秘书。
为啥这么说呢？你想啊，CPU（中央处理器）这个大老板，每天都要处理好多好多的数据，就像大老板每天要做各种决策一样。
这些数据呢，原本是放在内存这个大仓库里的。
可是呀，内存离CPU有点远，每次CPU要找个数据，就像大老板要从老远的大仓库里找个文件一样，特别费时间。
这时候，Cache就闪亮登场啦。
Cache这个小秘书特别聪明，它就在CPU的身边，离得超级近。
它就像有个超能力，会提前猜一猜CPU这个大老板接下来可能会用到哪些数据。
然后呢，它就偷偷地从内存这个大仓库里把那些可能会用到的数据拿过来，放在自己这里。
当CPU说：“我要找个数据啦。
”Cache就会特别快地说：“老板，你要的是不是这个呀？”然后一下子就把数据给CPU了。
这速度，就像闪电一样快。
Cache这个小秘书呀，它的存储空间可没有内存那么大。
它就像是一个小巧精致的文件柜，虽然装不了太多东西，但是放的都是最最常用的文件。
比如说，你每天都要用到的办公软件的一些小设置之类的。
它把这些常用的数据放在身边，就为了能让CPU快速拿到。
那Cache是怎么知道哪些数据是常用的呢？这就像是小秘书有自己的小秘诀。
它会根据数据被访问的频率呀，还有一些算法来判断。
就好像小秘书会观察，哪些文件大老板经常看，哪些偶尔才看一次。
经常看的就牢牢放在自己身边的小文件柜里，不常看的就先放一边。
有时候呀，也会出点小状况。
比如说，Cache以为CPU会用到某个数据，就把它从内存里拿过来了，结果CPU要的是另外一个数据。
这就像小秘书猜错了大老板的心思。
不过没关系呀，Cache会很快调整自己的策略，再去内存里找正确的数据。
而且呢，Cache还有不同的级别。
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。
结论
•高速缓冲存储器作为一种存储层次结构，通过局部性原理和缓存工作原理来提高数据访问速度。
•它的工作原理复杂，涉及缓存命中、未命中和替换算法等机制。
•高速缓冲存储器对计算机性能的提升具有重要作用，是现代计算机体系结构中不可或缺的一部分。