現(xiàn)代微機(jī)系統(tǒng)采用高速緩沖存儲器技術(shù)

為了提高程序的運(yùn)行速度，在現(xiàn)代微機(jī)系統(tǒng)中，采用了高速緩沖存儲器（Cache）技術(shù)。它的用途是把程序中正在使用的部分（活躍塊）存放在速度快、容量小的Cache中，使CPU的訪問操作大多數(shù)對Cache進(jìn)行，從而大大提高CPU的訪問速度。

Cache采用存取速度快的SRAM器件構(gòu)成。通常分為兩級：集成在CPU芯片中的Cache稱為一級（L1　Cache），其速度與CPU相匹配，但 容量較小，一般為幾KB到幾十KB；安裝在主板上的Cache稱為二級（L2　Cache），容量較大，從幾百千字節(jié)到幾兆字節(jié)不等。

80486　CPU芯片內(nèi)有8KB的Cache，存放程序和數(shù)據(jù)。Pentium芯片內(nèi)有16KB的Cache，分為兩個獨(dú)立的8KB區(qū)域，其中一個用 于存放程序，另一個用于存放數(shù)據(jù)。80486和Pentium支持L2　Cache,　PentiumⅡ以后的CPU則將L2　Cache與CPU內(nèi)核一 起封裝在一只金屬盒內(nèi)，或者直接把L2　Cache也集成到CPU芯片內(nèi)，進(jìn)一步提高了速度，改善了性能。

5.5.1　Cache的工作原理

Cache介于CPU和主存之間，并和主存有機(jī)地結(jié)合起來，借助于輔助硬件組成Cache-主存層次結(jié)構(gòu)，其工作原理。

Cache中的信息是主存中信息的一部分。Cache和主存都被分成若干個大小相等的塊，每塊由若干字節(jié)組成，由于Cache的容量遠(yuǎn)小于主存的容量， 所以Cache中的塊數(shù)要遠(yuǎn)少于主存中的塊數(shù)，它保存的信息只是主存中最活躍的若干塊的副本。當(dāng)CPU讀/寫信息時(shí)，首先通過Cache控制部件的地址變 換機(jī)構(gòu)訪問Cache，如果Cache被命中，就直接對Cache進(jìn)行訪問，與主存無關(guān)；如果Cache未命中，則仍須訪問主存，并把要訪問的信息塊一次 從主存調(diào)入Cache內(nèi)，若此時(shí)Cache已滿，則須根據(jù)某種置換算法，用新塊的信息置換舊塊中的信息。

5.5.2　Cache的地址映射

為了把信息從主存中取出送入Cache中，必須使用某種地址變換機(jī)制把主存地址映射到Cache中定位，稱之為地址映射。其實(shí)現(xiàn)方法是：將主存和 Cache都分為大小相等的若干塊（或稱頁），每塊的大小為2n個字節(jié)，通常為29（512B）或210（1024B）或211（2048B）等，以塊為 單位進(jìn)行映射。如假設(shè)某系統(tǒng)的主存容量為1MB，若每塊容量為1KB，則被分為1024塊；Cache容量為8KB，每塊容量也是1KB，則被分為8塊。 下面以此為例，介紹三種Cache的地址映射方法（見）。

1.直接地址映射

直接地址映射是指主存中每一個塊只能映射到某一固定的Cache塊中，如（a）所示。

把主存按Cache大小分為若干組，每一組按對應(yīng)的塊號進(jìn)行映射。如主存的第0塊，第8塊……，第1016塊，只能映射到Cache的第0塊；而主存的第1塊，第9塊……，第1017塊只能映射到Cache的第1塊，依次類推。

這種映射方法比較簡單，且地址轉(zhuǎn)換速度快，但不夠靈活，使得Cache的存儲空間得不到充分利用。

2.全相聯(lián)地址映射

全相聯(lián)地址映射是指主存中的每一塊都可以映射到Cache的任何一塊位置上，如（b）所示。這種映射方法比較靈活，Cache的利用率高；但地址轉(zhuǎn)換速度慢，而且需要采用某種置換算法將Cache中的內(nèi)容調(diào)入調(diào)出，實(shí)現(xiàn)起來系統(tǒng)開銷大。

3.組相聯(lián)地址映射

組相聯(lián)地址映射是直接地址映射和全相聯(lián)地址映射的折中方案，如（c）所示。主存和Cache都分組，主存中一個組內(nèi)的塊數(shù)與Cache中的分組數(shù)相同。 組間采用直接地址映射，而組內(nèi)采用全相聯(lián)地址映射。主存中的各塊與Cache的組號間有固定的映射關(guān)系，但可自由映射到對應(yīng)的Cache組中的任何一塊。 如主存中的第0塊可映射到Cache的第0組的第0塊或第1塊；主存中的第1塊可映射到Cache的第1組的第2塊或第3塊……這種映射方法比直接地址映 射靈活，比全相聯(lián)地址映射速度快。

5.5.3　Cache的置換算法

在采用全相聯(lián)地址映射和組相聯(lián)地址映射方式時(shí)，在主存向Cache傳送一個新塊時(shí)，若Cache中的可用位置已被占用時(shí)，就應(yīng)該調(diào)用置換算法，淘汰舊塊，調(diào)入新塊進(jìn)行置換。下面簡要介紹兩種常用的置換算法。

1.先進(jìn)先出（FIFO）算法

FIFO算法的基本思想是：按調(diào)入Cache的先后決定淘汰的順序，即在需要更新時(shí)，將最先進(jìn)入Cache的塊作為被置換的塊。這種算法不需要隨時(shí)記錄各個塊的使用情況，容易實(shí)現(xiàn)，而且系統(tǒng)開銷小；其缺點(diǎn)是可能會把一些需要經(jīng)常使用的程序塊被調(diào)入的新塊置換掉。

2.近期最少使用（LRU）算法

LRU算法的基本思想是：把CPU近期最少使用的塊作為被置換的塊。這種置換算法相對合理，但需要隨時(shí)記錄Cache中各塊的使用情況，以便確定哪個塊是近期最少使用的塊，實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，系統(tǒng)開銷較大。