CPU 中的 Cache
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2024-10-28
计算机存储系统采用分级体系,目的是为了解决储存容量、成本和速度之间的矛盾问题
高速缓存 Cache
用来存储当前最活跃的程序和数据,直接与CPU交互,位于CPU和主存之间,容量小,速度为内存的5-10倍,由半导体材料构成。其内容是主存内容的副本拷贝。
Cache 由控制部分和存储器组成,存储部分储存数据,控制部分判断CPU要访问的数据是否在 Cache 中,数据在 Cache 中为命中,不在则依据一定的算法从主存中替换
地址映射:在 CPU 工作时,送出的是主存单元的地址,而应从 Cache 储存器中读/写信息。这就需要将主存地址转换为 Cache 地址,这种地址转换称为地址映像,由硬件自动完成映射
直接映像:容易冲突
组相连映像:冲突率居中(实现方式参考了直接映像和全相连映像)
全相连映像:不容易冲突
替换算法
替换算法的目标是使 Cache 获得尽可能高的命中率,当缓存满且需要加载新数据时,替换算法决定哪些数据应该被移出缓存,以腾出空间给新数据。
随机替换算法
当缓存满且需要加载新数据时,随机选择一个缓存块进行替换
先进先出算法
最早进入缓存的数据最先被替换
维护一个队列,记录每个缓存块的进入顺序,最先进入的缓存块在队列头部
近期最少使用算法
替换最近最少使用的数据块
维护一个链表或计数器,记录每个缓存块的最近访问时间,最近最少使用的块位于链表尾部或计数器值最小
优化替换算法
替换未来最长时间不会被访问的数据块。
通过预知未来的访问模式,选择最优的替换策略。
命中率及平均时间
命中率即当 CPU 所访问的数据在 Cache 中时,命中,直接从 Cache 中读取数据,若 CPU 访问的数据不在 Cache 中则需要从内存中读取。
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