计组之存储系统：5、cache(cache功能、cache工作原理、cache性能分析)

骑猪看日落 2022-12-15 08:34 212阅读 0赞

### 5、cache ###

*  思维导图
 *  为什么要cache？
 *  Cache的工作原理
 *  局部性原理
 *  性能分析(加入cache)
 *  空间局部性中的“附近”怎么定义？
 *  待解决的问题？

# 思维导图 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTg3NzQw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

# 为什么要cache？ #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTg3NzQw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

> 1、程序执行时，需要从辅存中将程序执行代码和数据加载到内存中，然后CPU从内存中一条一条的取指令。  
> 2、但是内存与CPU速度不匹配，会大大影响CPU的效率。所以需要一个可以缓和速度问题的中间件：cache。通常，cache的速度是可以达到主存的几十倍。

# Cache的工作原理 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTg3NzQw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

> 1、在加入cache后，根据局部性原理，会将一些代码复制到cache中，CPU在取指令时直接从cache中取  
> 2、由于硬件集成度和成本问题，cache的容量一般都很小

# 局部性原理 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTg3NzQw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

> 对于上图中的程序A和程序B，程序A访问二维数组顺序访问二维数组时其物理地址也连续，所以根据空间局部性原理，cache命中率会很高，程序的执行速度会很快。对于程序B而言，程序A访问二维数组顺序访问二维数组时其物理地址不连续，因此，根据空间局部性原理，其cache命中率低，程序执行效率就不高。

# 性能分析(加入cache) #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTg3NzQw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTg3NzQw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]

# 空间局部性中的“附近”怎么定义？ #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTg3NzQw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]

> 例如，当你访问a\[1\]\[0\]时,你需要确定其在哪一块地址空间中，然后根据局部性原理，将整块地址空间复制到cache中。

# 待解决的问题？ #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTg3NzQw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]

> 问题1：见[计组之存储系统：6、Cache-主存映射方式][6_Cache-]  
> 问题2：见[计组之存储系统：7、Cache替换算法][7_Cache]  
> 问题3：见[计组之存储系统：8、Cache写策略][8_Cache]

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[6_Cache-]: https://blog.csdn.net/qq_41587740/article/details/109104899
[7_Cache]: https://blog.csdn.net/qq_41587740/article/details/109104941
[8_Cache]: https://blog.csdn.net/qq_41587740/article/details/109104962