文档介绍：高速缓存器技术(cache)
主要作用
计算机的主存和CPU直保持了大约一个数量级的差距。显然这个差距限制了CPU速度潜力的发挥。设置高速缓冲存储器(Cache)是解决存取速度的重要方法。在CPU和主存中间设置高速缓冲存储器,构成高速缓存(Cache)-主存层次,要求Cache在速度上能跟得上CPU的要求。
用生活中的模型表示
作用介绍
组成结构
高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器, 由静态存储芯片(SRAM)组成,容量比较小但速度比主存高得多, 接近于CPU的速度。主要由三大部分组成:
一、Cache存储体:存放由主存调入的指令与数据块。
二、地址转换部件:建立目录表以实现主存地址到缓存地址的转换。
三、替换部件:在缓存已满时按一定策略进行数据块替换,并修改地址转换部件。
工作原理
高速缓存的原理分为三个部分来介绍:
1、读取顺序
2、缓存分类
3、读取命中率
1、读取顺序
CPU要读取一个数据时,首先从Cache中查找,如果找到就立即读取并送给CPU处理;如果没有找到,就用相对慢的速度从内存中读取并送给CPU处理,同时把这个数据所在的数据块调入Cache中,可以使得以后对整块数据的读取都从Cache中进行,不必再调用内存。
正是这样的读取机制使CPU读取Cache的命中率非常高(大多数CPU可达90%左右),也就是说CPU下一次要读取的数据90%都在Cache中,只有大约10%需要从内存读取。这大大节省了CPU直接读取内存的时间,也使CPU读取数据时基本无需等待。总的来说,CPU读取数据的顺序是先Cache后内存。
2、缓存顺序
Intel从Pentium开始将Cache分开,通常分为一级高速缓存L1和二级高速缓存L2。在以往的观念中,L1 Cache是集成在CPU中的,被称为片内Cache。在L1中还分数据Cache(D-Cache)和指令Cache(I-Cache)。它们分别用来存放数据和执行这些数据的指令,而且两个Cache可以同时被CPU访问,减少了争用Cache所造成的冲突,提高了处理器效能。
3、读取命中率
CPU在Cache中找到有用的数据被称为命中,当Cache中没有CPU所需的数据时(这时称为未命中),CPU才访问内存。从理论上讲,在一颗拥有2级Cache的CPU中,读取L1 Cache的命中率为80%。也就是说CPU从L1 Cache中找到的有用数据占数据总量的80%,剩下的20%从L2 Cache读取。由于不能准确预测将要执行的数据,读取L2的命中率也在80%左右(从L2读到有用的数据占总数据的16%)。那么还有的数据就不得不从内存调用,但这已经是一个相当小的比例了。在一些高端领域的CPU(像Intel的Itanium)中,我们常听到L3 Cache,它是为读取L2 Cache后未命中的数据设计的—种Cache,在拥有L3 Cache的CPU中,只有约5%的数据需要从内存中调用,这进一步提高了CPU的效率