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知识路径： > 计算机系统基础知识 > 硬件基础知识 > 存储系统 > 虚拟存储器基本工作原理、多级存储体系 >
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被考频率：中频率
总体答错率：44%
知识难度系数： 
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相关知识点：4个
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高速缓存（Cache）用来存放当前最活跃的程序和数据，其特点是：容量一般在几千字节到几兆字节之间；速度一般比主存快5~10倍，由快速半导体存储器构成；其内容是主存局部域的副本，对程序员来说是透明的。
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Cache一般位于CPU与主存之间，主要包括管理模块、由相联存储器构成的存储表以及小容量高速度存储器，如下图所示。应用中首先判断CPU要访问的信息是否在Cache存储器中，若在即为命中，若不在则没有命中。命中时直接对Cache存储器寻址；未命中时，要按照替换原则决定将主存的一块信息放到Cache存储器的哪一块里。
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CPU工作时给出的是主存的地址，要从Cache存储器中读写信息，就需要将主存地址转换成Cache存储器的地址，这种地址的转换叫作地址映像。Cache的地址映像有以下三种方法：
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（1）直接映像。直接映像是指主存的块与Cache块的对应关系是固定的，如下图所示。在这种映像方式下，由于主存中的块只能存放在Cache存储器的相同块号中，因此，只要主存地址中的主存区号与Cache中的主存区号相同，则表明访问Cache命中。一旦命中，根据主存地址中的区内块号立即可得到要访问的Cache存储器中的块，而块内地址就是主存地址中给出的低位地址。
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直接映像方式的优点是地址变换很简单，缺点是灵活性差。例如，不同区号中块号相同的块无法同时调入Cache存储器，即使Cache中有空闲块也无法使用。
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（2）全相联映像。全相联映像的示意图如下图所示。同样，主存与Cache存储器均分成容量相同的块。这种映像方式允许主存的任一块可以调入Cache存储器的任何一个块的空间中。
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进行地址变换时，利用主存地址高位表示的主存块号与Cache中保存的主存块号进行比较，若相同即为命中。这时根据块号就可知道要访问的是哪一块。Cache存储器的块找到后，块内地址就是主存的低位地址。这时便可以读写Cache块中的内容。在变换时，当找到主存块号命中时，还必须知道主存的这一块存到了Cache的哪一块里面。
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全相联映像的主要优点是主存的块调入Cache的位置不受限制，十分灵活。其主要缺点是无法从主存块号中直接获得所对应Cache的块号，变换比较复杂，速度比较慢。
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（3）组相联映像。这种方式是前面两种方式的折衷。具体做法是将Cache中的块再分成组。例如，假定Cache有16块，再将每两块分为1组，则Cache的块就分为8组。主存同样分区，每区16块，再将每两块分为1组，则每区的块就分为8组。
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组相联映像就是规定组采用直接映像方式而块采用全相联映像方式。也就是说，主存任何区的0组只能存到Cache的0组中，1组只能存到Cache的1组中，依此类推。组内的块则采用全相联映像方式，即一组内的块可以任意存放。也就是说，主存一组中的任一块可以存入Cache相应组的任一块中。
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这种方式下，通过直接映像方式来决定组号，在一组内再用全相联映像方式来决定Cache中的块号。由主存地址高位决定主存区号与Cache中区号比较可决定是否命中。主存后面的地址即为组号。
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替换算法的目标就是使Cache获得最高的命中率。常用算法有如下几种：
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（1）随机替换算法。这种方法是用随机数发生器产生一个要替换的块号，将该块替换出去。
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（2）先进先出算法。这种方法是将最先进入Cache的信息块替换出去。
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（3）近期最少使用算法。这种方法是将近期最少使用的Cache信息块替换出去。
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（4）优化替换算法。这种方法必须先执行一次程序，统计Cache的替换情况。有了这样的先验信息，在第二次执行该程序时便可以用最有效的方式来替换。
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Cache的性能是计算机系统性能的重要方面。命中率是Cache的一个重要指标。Cache的设计目标是在成本允许的条件下达到较高的命中率，使存储系统具有最短的平均访问时间。设Hc为Cache的命中率，tc为Cache的存取时间，tm为主存的访问时间，则Cache存储器的等效加权平均访问时间ta为：
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ta=Hctc+（1-Hc）tm=tc+（1-Hc）（tm-tc）
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这里假设Cache访问和主存访问是同时启动的，其中，tc为Cache命中时的访问时间，（tm-tc）为失效访问时间。如果在Cache不命中时才启动主存，则：
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在指令流水线中，Cache访问作为流水线中的一个操作阶段，Cache失效将影响指令的流水。因此，降低Cache的失效率是提高Cache性能的一项重要措施。当Cache容量比较小时，容量因素在Cache失效中占有比较大的比例。降低Cache失效率的方法主要有选择恰当的块容量、提高Cache的容量和提高Cache的相联度等。
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Cache的命中率与Cache容量的关系是：Cache容量越大，则命中率越高，随着Cache容量的增加，其失效率接近0%（命中率逐渐接近100%）。但是，增加Cache容量意味着增加Cache的成本和增加Cache的命中时间。
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在多级Cache的计算机中，Cache分为一级（L1 Cache）、二级（L2 Cache）等，CPU访存时首先查找L1 Cache，如果不命中，则访问L2 Cache，直到所有级别的Cache都不命中，才访问主存。目前，CPU内的Cache通常为二级结构。通常要求L1 Cache的速度足够快，以赶上CPU的主频。L1 Cache的容量一般都比较小，为几千字节到几十千字节；L2 Cache则具有较高的容量，一般为几百字节到几兆字节，以具有足够高的命中率。
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