| 词条 | CACHE |
| 释义 | “Cache”是什么 ？ Cache(即高速缓冲存储器(Cache Memory)，是我们最常听到的一个词了。在老鸟们眼中，这个词或许已没有再谈的必要，因为他们对Cache从设计的必要性到工作原理、工作过程等等都已了如指掌了；而对菜鸟朋友们而言，这些未必就很清楚。那么，它们到底是指的什么呢？不用急，下面就请随笔者一起来全面认识Cache。 为什么要设计Cache？ 我们知道，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(对于雷鸟、毒龙系列的处理器，由于在设计采用了DDR技术，CPU工作的外频为系统总线频率的两倍)。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！CACHECACHE：Cache是一种特殊的存储器，它由Cache 存储部件和Cache控制部件组成。Cache 存储部件一般采用与CPU同类型的半导体存储器件，存取速度比内存快几倍甚至十几倍。而Cache 控制器部件包括主存地址寄存器、Cache 地址寄存器，主存—Cache地址变换部件及替换控制部件等。至于它们各自又是怎样工作的、有何作用等等，我想我们就没有必要做进一步的研究，知道一般Cache分为L1 Cache(其中又分为数据Cache、代码Cache)、L2 Cache就行了。 § CACHE是怎么工作的？ 我们知道，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。电脑在工作时，把这些活跃的子程序存入比内存快得多的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，就称为“命中”，此时CPU直接从Cache中调用该内容；否则，就称为“不命中”，CPU只好去内存中调用所需的子程序或指令了。CPU不但可以直接从Cache中读出内容，也可以直接往其中写入内容。由于Cache的存取速率相当快，使得CPU的利用率大大提高，进而使整个系统的性能得以提升 § CACHE的应用 CPU 早在486时代，主板上就设计了Cache插槽，用户可以根据需要自己配置Cache；586级的CPU芯片中已集成了部分Cache，同时还保留了Cache插槽供用户扩充，而到了Pentium Ⅱ时代后，Cache已全部集成到了CPU芯片中，主板上再也没有Cache插槽。现在比较流行的CPU芯片中一般集成了至少16KB的代码Cache 和16KB的数据Cache(作为L1 Cache)，以及至少64KB的L2 Cache。 有的朋友可能会问，既然Cache的作用如此重要，那为么不把电脑的全部内存都变为Cache，那样不是更好吗？其实对于这个问题，撇开价格因素，单就其实用性而言也是没有必要的，毕竟，电脑在执任务时，那种使用频率非常高的子程序或指令不是很多的，因此那些使用频率不太高的内容只须保存在速度相对较低的内存中就可以了！ 在实际应用中，Cache，尤其是L2Cache对系统的性能，特别是对浮点运算能力有较大的影响。而我们知道，大部分游戏的流畅运行需要频繁的浮点运算。因此，CPU运行游戏的性能的好坏与L2Cache的容量与速度有很大关系。 地址映像 ·地址映像 所谓映象问题是指如何确定Cache中的内容是主存中的哪一部分的拷贝，即必须应用某种函数把主存地址映象到Cache中定位，也称地址映象。当信息按这种方式装入Cache中后，执行程序时，应将主存地址变换为Cache地址，这个变换过程叫作地址变换。地址映象方式通常采用直接映象、全相联映象、组相联映象三种 硬盘1、直接映像 是指每个主存页只能复制到某一固定的Cache页中。直接映像的规律是：将主存的2048页分为128组，每组有16页，分别与Cache的16页直接对应，即主存的第0页、第16页、第32页……只能映像到Cache的第0页。 2、全相联映像 全相联映像是指主存的每一页可以映像可以映像到Cache的任意一页。 3、组相联映像 组相联映像是直接映像与全相联映像的折中方案，它将Cache分为若干组，如8组；每组若干页，如2页；同时将主存分为若干组，如255组；每组内的页数与Cache的组数相同，如8页。组相联映像的规律是主存中的各页与Cache的组号有固定的映像关系，但可自由映像到对应的Cache组中的任意一页。即组间采用直接映像，而组内的页为全相联映像。 § 替换机构 当CPU访问Cache未命中时，应从主存中读取信息，同时写入Cache。若Cache未满，则直接写入；若Cache已满，则需要进行替换。替换机构由硬件组成，并按替换算法进行设计，其作用是指出替换的页号。常用的替换算法有先进先出算法（FIFO）和近期最少使用算法（LRU）。 § 读写操作 1、读操作 访存时，将主存地址同时送主存和Cache，一则启动对主存的读操作，二则在Cache中按映像方式从中获取Cache地址，并将主存标记与Cache标记比较：若相同，则访问命中，从Cache中读取数据。因为Cache速度比主存速度快，所以不等主存读操作结束，即可继续下一次访存操作；若不相同，则访问未命中，则从主存中读取数据，并考虑是否按某种替换算法更新Cache某页的内容。 2、写操作 将数据写入主存有两种方法，写回法和些直达法。 写回法：信息暂时只写入Cache，并用标志加以注明，直到该页内容需从Cache中替换出来时，才一次写入主存。优点是操作速度快，缺点是写回主存前，主存中没有这些内容，与Cache不一致，易造成错误。 写直达法：信息在写入Cahce时也同时写入主存。优点是主存与Cache始终保持一致，但速度慢。 § Buffer和Cache区别 缓存（cached）是把读取过的数据保存起来，重新读取时若命中（找到需要的数据）就不要去读硬盘了，若没有命中就读硬盘。其中的数据会根据读取频率进行组织，把最频繁读取的内容放在最容易找到的位置，把不再读的内容不断往后排，直至从中删除。 内存缓冲（buffers）是根据磁盘的读写设计的，把分散的写操作集中进行，减少磁盘碎片和硬盘的反复寻道，从而提高系统性能。linux有一个守护进程定期清空缓冲内容（即写如磁盘），也可以通过sync命令手动清空缓冲。举个例子吧：我这里有一个ext2的U盘，我往里面cp一个3M的MP3，但U盘的灯没有跳动，过了一会儿（或者手动输入sync）U盘的灯就跳动起来了。卸载设备时会清空缓冲，所以有些时候卸载一个设备时要等上几秒钟。 修改/etc/sysctl.conf中的vm.swappiness右边的数字可以在下次开机时调节swap使用策略。该数字范围是0～100，数字越大越倾向于使用swap。默认为60，可以改一下试试。两者都是RAM中的数据。简单来说，buffer是即将要被写入磁盘的，而cache是被从磁盘中读出来的。 buffer是由各种进程分配的，被用在如输入队列等方面，一个简单的例子如某个进程要求有多个字段读入，在所有字段被读入完整之前，进程把先前读入的字段放在buffer中保存。 cache经常被用在磁盘的I/O请求上，如果有多个进程都要访问某个文件，于是该文件便被做成cache以方便下次被访问，这样可提供系统性能。 § 相关知识 通常人们所说的Cache就是指缓存SRAM。 SRAM叫静态内存，“静态”指的是当我们将一笔数据写入SRAM后，除非重新写入新数据或关闭电源，否则写入的数据保持不变。 主板由于CPU的速度比内存和硬盘的速度要快得多，所以在存取数据时会使CPU等待，影响计算机的速度。SRAM的存取速度比其它内存和硬盘都要快，所以它被用作电脑的高速缓存(Cache)。 有了高速缓存，可以先把数据预写到其中，需要时直接从它读出，这就缩短了CPU的等待时间。高速缓存之所以能提高系统的速度是基于一种统计规律，主板上的控制系统会自动统计内存中哪些数据会被频繁的使用，就把这些数据存在高速缓存中，CPU要访问这些数据时，就会先到Cache中去找，从而提高整体的运行速度。一般说来，256K的高速缓存能使整机速度平均提高10%左右。 主板上通常都会提供256K到1M的缓存。在CPU内部也有高速缓存，如486CPU有8K的高速缓存，Pentium有16K的高速缓存。Pentium II有32K 一级缓存，AMD K6-2中有64K的一级Cache，AMD K6-3中有64K 的一级 Cache，和256K 的二级Cache，Cyrix MII 中有64K的Cache。 为了区分它们，CPU内部的缓存叫内部高速缓存(Internal Cache)或一级高速缓存，主板上的缓存叫外部高速缓存(External Cache)或二级高速缓存。不过现在的Pentium II 的CPU已经将主板上的二级缓存封装在CPU的盒子中，AMD K6-3的CPU内部也集成了256K的二级Cache，对于这类CPU来说，主板上提供的已是三级缓存了。 § 相关词条 存储器地址映像CPU缓存 主板FIFOLRU算法 § 参考资料 http://baike.baidu.com/view/44274.htm |
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