浅析高速缓存.docVIP

2011-2012学年第1学期期末考试 考试科目： 现代操作系统 学 院： 物电学院 专 业： 计算机应用技术 学 号： 11110842184 姓 名： 陶正飞 任课教师： 吴承文 温州大学 时间：2011年12月20日 浅析高速缓存 摘要：本文对高速缓存的概念、工作原理、结构 、特性进行了一般的解析,以使读者对高速缓存有一个全面的了解。 关键字：高速缓存；原理；映射；性能 1 引言 在早期微机中，微机的处理速度较慢，随若计算机技术的发展，微处理器的速度获得很快得提高，然而内存的速度根对较慢，因此必须保证处理器不因为内存而减速。为解决这个问题，在内存和处理器之间加了一种小型高速存储器，简称高速缓存，也就是常说的Cache[1]。 Cache即高速缓冲存储器，是现代计算机中关键的存储器，对系统的整体性能有着相当大的影响。Cache是位于 CPU 与主存之间一种容量较小、但速度很高的存储器。由于 CPU 在进行运算时，所需的指令和数据都是从主存中提取的，而 CPU 运算速度要比主存读写速度快得多，由此会出现 CPU 花费很长时间等待数据到来或把数据写入内存，就好比一个仓库（主存） ，如果运输能力（CPU运算能力）很强，有很多货车但是装卸能力（主存读写速度）很弱，则会有许多货车空等很长时间。为解决 CPU 运算速度与主存读写速度之间不匹配的矛盾，于是在 CPU与主存之间增设 Cache。 2 Cache的分类 Cache分为一级 Cache（L1 Cache）和二级 Cache（L2 Cache），L1 Cache已被集成到CPU内部，我们看不到独立的 L1 Cache， 而 L2 Cache则是独立存在的。一般是焊在主板上可以找到它，而通常我们所提到的Cache是一般指 L2 Cache而言。 3 Cache的工作原理[2] Cache的出现解决了CPU与主存速度上的矛盾。系统在工作， 将运行时经常存取的一些数据从主存中读取到Cache中，而CPU会首先到Cache中读取数据（或写入数据），如Cache中没有所需数据（或Cache已满，无法再写入），则对系统内存进行读写。另外Cache在空闲时也会与内存交换数据， 这就好比在仓库与货车之间增加一条高速的运输带，大大提高了整体功能。 CPU从Cache中直接操作数据，不仅加快存取速度，而且很实用，但要在编码中直接利用Cache，还需要了解它的工作机理，Cache与微处理器是相似的，基本原理都差不多，每当对内存进行存取的时候，如果存取地址符合一定规则， 它们就会自动从内存中读出以这个地址为起始地址的连续的32个字节的内容，并保存起来，这样当程序对某一个地址或者连续的地址空间进行反复访问的时候，CPU就会直接从Cache中存取数据，以实现访问成功。 4 高速缓存的结构 4.1 组成 Cache从逻辑上可以分成三个部分： 数据存储器：这是信息实际存储的地方，当说Cacha是256KB或512KB时，实际上指的就是数据存储器的容量。数据存储器越大，能缓冲的信息就越多，越能满足要求。

Cache不象人们想象的是字节序列 ，对于第五代或更新的微机，Cache
是Cache行的集合，每一个Cache行一般包含32个字节，这意味着对Cache的数据存取一次完成32字节，而不是一个字节。一个Cache行最少不能少于8个字节（64位），因为Pentium或必威体育精装版微机的字长是64位。数据存储器采用32个字节（256位）的原因是内存的存取有4个突发周期。 特征存储器：这是用于表明内存对于Cache的具体使用情况的一小块内存。它的容量决定Cache能缓冲多大内存。 控制电路：用于控制Cache的运行。 4.2 Cache的内存映射技术 直接映射法(Direct mapped)：直接映射法[3]是内存中的一块只能放到高速缓存中一个固定的块中，即内存中的不固定的一块。这种方法的好处是当硬件需要知道某一个内存块是否存在于高速缓存中时，只要检查它映射的高速缓存块即可， 故节省硬件成本。由于内存的容量远大于高速缓存，可能会有多对一的映射，所以若要使用的数个内存块都映射到同一个高速缓存块时,，就不断会有数据在内存和高速缓存间搬动，即使高速缓存中仍有空间也无法使用。这就降低了高速缓存的使用率以及整个内存系统的性能。 这是最简单的技术，按照Cache行的数童将内存分成同样多的块。假如有32字节Cache行的512KB的Cache，有521K/32=16K个Cache行，因此将内存分成 16K块，假如内存