高速缓存[1]cache, /kæʃ/[2][3][4],香港译緩衝記憶體,台湾译快取記憶體,中国大陆又称高速缓衝存储器[5][6][7]缓存[7]),原始意义是指存取速度比一般隨機存取記憶體(RAM)快的一种RAM,通常它不像系统主記憶體那样使用DRAM技术,而使用昂贵但較快速的SRAM技术。

原理

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Cache一词来源于1967年的一篇电子工程期刊论文。其作者将法语词「cache」赋予“safekeeping storage”的涵义,用于电脑工程领域。PC-AT/XT和80286时代没有Cache,CPU和内存都很慢,CPU直接访问内存。80386芯片组增加了对可选的Cache的支持,高级主板带有64KB,甚至高端的128KB Write-Through Cache。80486 CPU里面加入了8KB的L1 Unified Cache,当时也叫做内部Cache,不分代码和数据,都存在一起;芯片组中的Cache,变成了L2,也被叫做外部Cache,从128KB到256KB不等;增加了Write-back的Cache属性。Pentium CPU的L1 Cache分为Code和data,各自8KB;L2还被放在主板上。Pentium Pro的L2被放入到CPU的Package上。Pentium 3开始,L2 Cache被放入了CPU的Die中。从Intel Core CPU开始,L2 Cache为多核共享。

CPU处理数据时,它会先到Cache中去寻找,如果数据因之前的操作已经读取而被暂存其中,就不需要再从隨機存取記憶體(Main memory)中读取数据——由于CPU的运行速度一般比主内存的读取速度快,主存儲器周期(訪問主存儲器所需要的時間)為數個時鐘周期。因此若要存取主内存的话,就必须等待数个CPU周期从而造成浪费。

提供「缓存」的目的是为了让数据存取的速度适应CPU的处理速度,其基于的原理是内存中「程序执行与数据访问的局域性行为」,即一定程序执行时间和空间内,被访问的代码集中于一部分。为了充分发挥缓存的作用,不仅依靠“暂存刚刚访问过的数据”,还要使用硬件实现的指令预测数据预取技术——尽可能把将要使用的数据预先从内存中取到缓存裡。

CPU的缓存曾经是用在超级计算机上的一种高级技术,不过现今電腦上使用的的AMDIntel微处理器都在芯片内部集成了大小不等的数据缓存和指令缓存,通称为L1缓存(L1 Cache即Level 1 On-die Cache,第一级片上高速緩衝存儲器);而比L1更大容量的L2缓存曾经被放在CPU外部(主板或者CPU接口卡上),但是现在已经成为CPU内部的标准组件;更昂贵的CPU会配备比L2缓存还要大的L3缓存(level 3 On-die Cache第三級高速緩衝存儲器)。

概念的扩充

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如今缓存的概念已被扩充,不仅在CPU和主内存之间有Cache,而且在内存和硬盘之间也有Cache(磁盘缓存),乃至在硬盘与网络之间也有某种意义上的Cache──称为Internet临时文件夹网络内容缓存等。凡是位于速度相差较大的两种硬件之间,用于协调两者数据传输速度差异的结构,均可称之为Cache。

地址映象与变换

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由于存储设备容量远大于CPU缓存的容量,因此两者之间就必须按一定的规则对应起来。地址映象就是指按某种规则把主存块装入缓存中。地址变换是指当按某种映象方式把主存块装入缓存后,每次访问CPU缓存时,如何把主存的物理地址(Physical address)或虚拟地址(Virtual address)变换成CPU缓存的地址,从而访问其中的数据。

缓存置换策略

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主存容量远大于CPU缓存,磁盘容量远大于主存,因此无论是哪一层次的缓存都面临一个同样的问题:当容量有限的缓存的空闲空间全部用完后,又有新的内容需要添加进缓存时,如何挑选并舍弃原有的部分内容,从而腾出空间放入这些新的内容。解决这个问题的算法有几种,如最久未使用算法(LFU)、先进先出算法(FIFO)、最近最少使用算法(LRU)、非最近使用算法(NMRU)等,这些算法在不同层次的缓存上执行时拥有不同的效率和代价,需根据具体场合选择最合适的一种。

参见

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参考文献

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  1. ^ 高速缓存. 术语在线. 全国科学技术名词审定委员会.  (简体中文)
  2. ^ cache noun. Oxford Learner's Dictionaries. Oxford University Press. [2015-01-28]. (原始内容存档于2021-03-18). 
  3. ^ cache definition, meaning. Cambridge Dictionaries Online. Cambridge University Press. [2015-01-28]. (原始内容存档于2015-07-12). 
  4. ^ Cache. Merriam-Webster Online Dictionary. Merriam-Webster, Incorporated. [2015-01-28]. (原始内容存档于2021-03-18). 
  5. ^ 高速缓冲存储器. 术语在线. 全国科学技术名词审定委员会.  (简体中文)
  6. ^ 陈禹. 信息系统管理工程师教程. 清华大学出版社. : 18 [2020-03-09]. ISBN 7-302-12261-X. (原始内容存档于2019-05-02) (中文(简体)). 
  7. ^ 7.0 7.1 教育部教育考试院.全国计算机等级考试二级教程:公共基础知识 [M].北京:高等教育出版社, 2022 (2023-05): 8-9.

外部链接

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