cache基础知识介绍

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1、 什么是cache Cache又叫高速缓冲存储器，位于CPU与内存之间，是一种 特殊的存储器子系统。 目前比较常见的是两极cache结构，即cache系统由一级高 速缓存L1 cache和二级高速缓存L2 cache组成，L1 cache通 常又分为数据cache（I-Cache）和指令cache（D-Cache）， 它们分别用来存放数据和执行这些数据的指令。 两极cache相比较而言，L1 cache的容量小，但数据存取速 度较快，L2 cache的容量大，但数据存取速度较慢。部分 系统中也存在三级cache的结构。 Cache的作用是什么 Cache的作用就是为了提高CPU对存储器的访问速

2、度。 电脑的内存是以系统总线的时钟频率工作的，这个频率 通常也就是CPU的外频。但是，CPU的工作频率(主频)是 外频与倍频因子的乘积。这样一来，内存的工作频率就 远低于CPU的工作频率了。这样造成的直接结果是： CPU在执行完一条指令后，常常需要“等待”一些时间才 能再次访问内存，极大降了CPU工作效率。在这样一种 情况下，cache就应运而生了。 指令地址 96 loop: ADD r2, r1, r1 100SUBI r3, r3, #1 104BNEZ r3, loop 108 112典型的内存访问模式 Cache的工作原理 CPU运行程序是一条指令一条指令地执行的，而且指令地 址往往

3、是连续的，意思就是说CPU在访问内存时，在较短 的一段时间内往往集中于某个局部，这时候可能会碰到一 些需要反复调用的子程序。系统在工作时，把这些活跃的 子程序存入比主存快得多的cache 中。 CPU在访问内存时，首先判断所要访问的内容是否在cache 中，如果在，则称为命中（hit），此时CPU直接从cache中 调用该内容；否则称为未命中（miss）， CPU会通过cache 对主存中的相应内容进行操作。 Cache的地址映射方式Cache与主存之间可以采取的地址映射方式有以下三种： 全相联映射方式 直接相联映射方式 组组相联映射方式 全相联方式地址映射规则：主存的任意一块可以映射到cac

4、he中的任意 一块(1) 主存与cache分成相同大小的数据块。(2) 主存的某一数据块可以装入cache的任意一块空间中。优点：命中率比较高，cache存储空间利用率高。缺点：访问相关存储器时，每次都要与全部内容比较，速 度低，成本高，因而应用少。 直接相联方式地址映射规则： 主存储器中一块只能映射到cache的一个 特定的块中。(1) 主存与cache分成相同大小的数据块。(2) 主存容量应是cache容量的整数倍，将主存空间按cache 的容量分成区，主存中每一区的块数与cache的总块数相 等。(3) 主存中某区的一块存入cache时只能存入缓存中块号相 同的位置。优点：地址映射方式简

5、单，数据访问时，只需检查区号是 否相等即可，因而可以得到比较快的访问速度，硬件设备 简单。缺点：替换操作频繁，命中率比较低。 组相联映射方式地址映射规则：(1) 主存和cache按同样大小划分成块。(2) 主存和cache按同样大小划分成组。(3) 主存容量是cache容量的整数倍，将主存空间按cache区 的大小分成区，主存中每一区的组数与cache的组数相同 。(4) 当主存的数据调入cache时，主存与cache的组号应相等 ，也就是各区中的某一块只能存入cache的同组号的空间 内，但组内各块地址之间则可以任意存放， 即从主存的组 到cache的组之间采用直接映射方式；在两个对应的组内

6、 部采用全相联映射方式。优点：块的冲突概率比较低，块的利用率大幅度提高，块 失效率明显降低。 缺点：实现难度和造价要比直接映射方式高。 块:块是cache与主存的传输单位。 路（way）: 路是组相联映射方式的cache结构中的基本存 储单位，每一路存储一个块的数据。 组（entry）:组是组相联映射方式的cache对块进行管理的 单位。 区 （tag） :块的地址对应的主存储器中的区。 块内偏移地址（offset）: 用来标示块内一个字节的地址。 组相联映射方式下主存储器的地址空间由，区，组和块内 偏移地址组成。 组相联映射方式下cache的内部结构。 Cache的替换算法Cache可以采用

7、的替换算法主要有以下几种： 先入后出(FILO)算法 随机替换(RAND)算法 先入先出(FIFO)算法 近期最少使用(LRU)算法 随机(RAND)法是随机地确定替换的存储块。设置一个随机 数产生器，依据所产生的随机数，确定替换块。这种方法 简单、易于实现，但命中率比较低。 先进先出(FIFO)法是选择那个最先调入的那个块进行替换 。当最先调入并被多次命中的块，很可能被优先替换，因 而不符合局部性规律。这种方法的命中率比随机法好些， 但还不满足要求。 近期最少使用(LRU)法是依据各块使用的情况，总是选择那 个最近最少使用的块被替换。这种方法比较好地反映了程 序局部性规律，命中率最高。 如何

8、提高cache的性能 提高cache的性能也就是要降低主存的平均存取时间主存平均存取时间=命中时间+未命中率*未命中惩罚 提高cache的性能有以下三种方法：减少命中时间，减少 未命中率，减少未命中惩罚。影响命中率的硬件因素主要有以下四点： Cache的容量。 Cache与主存储器交换信息的单位量（cache line size）。 Cache的组织方式 Cache的替换算法代码段A for(i=0;i1024;i+)for(j=0;j4;j+)sum += xij代码段B for(j=0;j4;j+)for(i=0;i1024;i+)sum += xij 通过优化代码提高cache命中率对数

9、组int x10244进行求和代码段A： 对于数组元素xi0（i=01024）的访问是miss的，但对于 xi1， xi2， xi3的访问是hit的，因此miss的总次数为 1024次。 代码段B： 对于数组元素xi0， xi1， xi2， xi3 （i=01024） 的访问都是miss的，他们被xi+40 ， xi+41， xi+42， xi+43所替换，因此miss的总次数为4096次。 当需要对大量数据访问的时候，一定要注意对内存的访问 要尽量是连续而且循环内层的访问接近cache的块大小， 以提高cache的命中率，从而提高程序的运行效率。 Cache的一致性问题 在采用cache的系

10、统中，同样一个数据可能既存在于cache 中，也存在于主存中，两者数据相同则具有一致性，数据 不相同就叫做不一致。 Cache主要有两种写策略写直达法（write through）和写回 法（write back） 写直达法（write through） 方法：在对cache进行写操作的同时，也将内容写到主存中。优点：可靠性较高，操作过程比较简单。 缺点：写操作速度得不到改善，与写主存的速度相同。 写回法（write back） 方法：在CPU执行写操作时，只写入cache，不写入主存。优点：速度较高。 缺点：可靠性较差，控制操作比较复杂。 对于多个主设备的共享存储总线系统，如带有DMA的 系统，或者多处理器系统，由于其他的主设备也可以 改变主存的内容，而这种改变是cache无法得知的，因 此必须对cache的一致性问题进行处理。 可以将主存中的一块地址空间设置为非cache访问，CPU对 这部分地址空间进行直接访问，不经过cache处理，对这 部分地址空间的访问的效率会变低。 如果要保证更改的数据写入存储器中，则选择WRITE- THROUGH方式或者使用FLUSH指令，将cache内容刷新到主 存中。 如果要保证读出的内容就是主存中的内容，则在读之前， 先将存储此数据的cache line无效，即运行INVALID指令。