4.2.1 Cache - Introduction

为什么使用Cache

1. 因为主存和CPU发展速度的剪刀差，导致主存与CPU之间性能差异越来越大，主存称为限制计算速度的瓶颈。为了缓解这种差异，在主存与CPU之间加入速度更高的Cache。
2. 由于IO访存优先级比较高，在IO访存的时候，主存一直忙，会造成CPU空等。为了解决这个问题，也需要在主存与CPU之间加入Cache作为缓冲。

程序访问的局部性原理

Cache的基本结构和读写操作

读操作

1. 通过地址变换算法将主存地址变换为缓存地址
2. 判断缓存是否命中

• 若命中，就将信息送入CPU
• 若未命中，则将信息通过主存调入CPU，同时将信息写入缓存，需要替换时，利用替换算法进行替换

写操作
写操作需要解决Cache和主存一致性的问题，一般采用两种方式

• Write Through
  同时将信息写入主存和Cache，写操作时间就是访问主存的时间，更新策略比较容易实现
• Write Back
  只把数据写入Cache，当块从Cache中退出时才将更新了的数据写入主存，写操作时间就是访问Cache的时间，但是增加了Cache的复杂性

Cache的命中与命中率

Cache的命中是指欲读取的数据已经在缓存内。
命中率是指命中Cache的次数占访问信息总次数的比率,
$h =\frac{N_c} {N_c+N_m}$h=Nc​+Nm​Nc​​
平均访存时间$t_a$ta​为
$t_a = h\times t_c+(1-h)\times t_m$ta​=h×tc​+(1−h)×tm​
访存效率$e$e为
$e=\frac{t_a}{t_c} \times 100\%$e=tc​ta​​×100%

Cache的改进

• 增加Cache的级数
• 将Cache分立，做成分立缓存（程序和数据）