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在计算机体系结构中， cache是提升系统性能的重要组件。对于基础小白来说，理解cache的工作原理和相关概念至关重要。本文将以简洁明了的方式，详细介绍cache的基本原理、工作机制和优化方法，帮助读者快速掌握这一关键知识点。
一. 为什么要使用cache（什么是cache）？
cache是一种位于cpu和主存之间的小容量、高速度的存储器。其主要作用是弥补cpu与主存之间的速度差异，从而提高系统整体性能。
- 原因：cpu主频提升会带动系统性能的改善，但内存存取速度较低会导致cpu等待，降低处理速度，浪费cpu能力。
- 解决方法：在慢速的dram和快速的cpu之间插入一至多级的速度较快、容量较小的sram起到缓冲作用，使cpu能够快速存取主存中的数据，而不使系统成本上升过高，这就是cache的作用。
二. cache采用的程序访问的局部性原理
程序访问的局部性是指在一个较短的时间间隔内，程序产生的地址往往集中在存储器逻辑地址空间的很小范围内。
- 局部性原理：对局部范围的存储器地址频繁访问，而对其他范围的访问甚少。
- cache利用局部性原理：将常用的数据和指令从主存调入cache，供cpu在一段时间内使用，从而提高访问速度。
三. cache的工作原理
1. 主存地址的划分
为了方便比较和快速查找，cache和主存都被分成了若干大小相同的块，每块包含若干个字。
- 主存块地址：标识cpu访问的主存单元所在的主存块号。
- 块内偏移地址：表示要访问的单元在某块的偏移值。
- 索引：指示cpu访问cache存储体的范围。
- 标记：用于判断内容是否在cache中。
2. cache的基本结构
cache的结构主要包括三部分：
- 数据存储体：存放主存数据的副本。
- 标记存储体：存放标记，不同映射方式标记位数不同。
- 有效位：标识存放在cache中的数据是否有效。
3. cache的组织及cpu访问cache的流程
cache命中：
- 对cpu访问存储器的地址进行逻辑划分，得到标记、索引、块内地址。
- 按索引字段的值从cache标记存储体的特定单元读出标记值，并比较。
- 若命中，则形成cache地址。
- 访问cache数据存储体，读取数据送至cpu。
cache不命中：
- 对cpu访问存储器的地址进行逻辑划分，得到标记、索引、块内地址。
- 按索引字段的值从cache标记存储体的特定单元读出标记值，并比较。
- 若不命中，则进入cache替换策略。
- 调入数据块，更新标记存储体，送数据至cpu。
四. cache的命中率计算详解
命中率 h：
h=nc/（nc+nm）
- 命中率：cache命中的次数占总访问次数的比例。
- 丢失率：1−h
- 平均访问时间 ta：
ta=h⋅tc+(1−h)⋅tm
举例说明：
假设一个程序访问内存100次，其中70次命中cache，30次不命中。cache的访问时间为10纳秒，主存的访问时间为50纳秒。
- 命中率 h：
h=70/100=0.7 - 平均访问时间 ta：
ta=0.7⋅10+(1−0.7)⋅50=7+15=22 纳秒
五. cache的地址映射及变换方法
1. 什么是cache的地址映射？
地址映射是指将主存地址空间映射到cache的地址空间，即将存放在主存中的程序或数据按照某种规则装入cache，并建立两者之间地址的对应关系。
2. 什么是cache的地址变换？
地址变换是指在程序运行时，根据地址映像函数将主存地址变换成cache地址。
3. 三种地址映射方法：
- 全相联映射：主存中的任何一个块都可以映射到cache中的任何一个位置。这种方式灵活性高，但查找速度慢。
- 直接映射：主存中的每一个块固定映射到cache中的某一个位置，查找速度快，但灵活性差。
- 组相联映射：综合了全相联映射和直接映射的优点，将cache分成若干组，每组内采用全相联映射，组间采用直接映射，既有一定的灵活性，又能保持较高的查找速度。
六. cache的三种替换算法
1. 为什么需要三种替换算法？
不同的替换算法在实现复杂度、命中率提升和硬件开销等方面各有优劣。通过选择合适的替换算法，可以在不同应用场景下优化cache性能。
2. 三种替换算法
-
先进先出（fifo）
- 原理：选择最早调入cache的字块进行替换。
- 优点：实现简单，开销小。
- 缺点：未考虑数据的访问频率，命中率较低。
-
近期最少使用（lru）和最不经常使用（lfu）
- lru：将长时间未被访问的行换出，能有效提高命中率。
- lfu：将一段时间内被访问次数最少的行换出，但无法严格反映近期访问情况。
-
随机法
- 原理：随机确定被替换的块。
- 优点：实现容易。
- 缺点：命中率不稳定，有时会降低命中率。
结论
通过详细分析cache的工作原理、地址映射方法和替换算法，本文帮助读者深入理解了cache在计算机系统中的重要作用及其实现机制。cache通过利用程序访问的局部性原理，有效提高了cpu访问存储系统的速度，从而提升了计算机系统的整体性能。
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