处理器中的缓存

1 缓存出现的原因

一个工艺上的问题：

• 处理器和内存使用的半导体器件工艺不同。
• 工艺的差异导致了处理器与内存的速度差异。
• 数据处理时，处理器总是需要等待内存。
  

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2 程序访问的局部性

在短时间内，处理器访问的存储空间是一个很小的范围。

时间局部性：

• 某个存储单元在短时间内很可能被再次访问。

空间局部性：

• 某个存储单元的邻近单元在短时间内也被访问。

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3 高速缓冲存储器的引入（cache）

3.1 cache的基本概念

cache的基本概念：

• cache是一种小容量高速存储器。
• cache的存取速度与处理器的运算速度几乎同量级。
• cache在现代计算机系统中直接内置于处理器芯片中。

3.2 cache解决方案

cache解决方案：

• 在处理器和内存之间设置cache。
• 把内存中被频繁访问的指令和数据复制到cache中。
• 大多数情况下，处理器能直接从cache中取得指令和数据。

3.3 处理器的数据访问

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4 内存和cache之间的映射

4.1 直接映射法

直接映射法的方式如下：

• 将cache和内存分成固定大小的块（如：512Byte/块）。
• 将内存中的每一块在cache中有固定的映射位置。
• 映射公式：
  • POScache = 内存块号 % cache总块数

直接映射法中的地址划分：

映射原理：

• 根据访问地址的中间c位找到cache中的对应块
• 比较地址的高t位是否和flag相同
  • 相同：直接读取数据
  • 不同：从内存中复制块内容
    
    直接映射法的特点：
• 优点：映射过程简单，所需耗时短。
• 缺点：当短时间内访问的地址有同余冲突时，会造成缓存失效。

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参考资料：

1. 嵌入式操作系统原理课