Flash与Cache

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于 2024-09-29 18:54:41 首次发布

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一、CPU为啥用cache

为什么存在cache?

由于CPU的速度远高于主内存，CPU直接从内存中存取数据要等待一定时间周期，Cache中保存着CPU刚用过或循环使用的一部分数据，当CPU再次使用该部分数据时可从Cache中直接调用,这样就减少了CPU的等待时间,提高了系统的效率。

原理：

1：利用了空间局部性和时间局部性的原理

CPU Cache利用时间局部性和空间局部性原理来优化数据访问性能。这两个原理在Cache工作中扮演关键角色，以下是对CPU
Cache工作原理与时间局部性、空间局部性的详细解释：

一、时间局部性：

概念：时间局部性意味着一旦数据被访问，它在不久的将来会再次被访问。
Cache应用：当处理器访问一个数据后，该数据会被保留在Cache中，因为存在时间局部性，表示该数据在短期内可能再次被访问。
3.优势：通过利用时间局部性，Cache能够减少对主存的访问次数，提高数据访问速度，因为处理器在未来访问相同数据时可以直接从Cache中获取。
二、空间局部性：
1.概念：空间局部性表明一旦访问了一个数据，其临近的数据也有可能被访问。
2.Cache应用：由于空间局部性，Cache可能会预先加载邻近数据块，以提高整体的Cache命中率。
3.优势：通过存储相邻数据块，Cache利用空间局部性可以更有效地提供处理器可能需要的数据，减少Cache未命中的情况。
三、工作原理：
1.缓存命中：当处理器请求数据时，首先在Cache中查找。如果数据存在于Cache中，发生缓存命中，处理器直接从Cache读取数据。
2.缓存未命中：如果请求的数据未在Cache中找到，发生缓存未命中，需要从主存加载数据到Cache中。
时间局部性应用：当数据被访问并存储在Cache中，根据时间局部性，该数据在不久的将来可能再次被访问。
4.空间局部性应用：根据空间局部性，Cache可能会预取与即将被访问的数据相关的邻近数据块，以提前加载可能被访问的数据。
四、优化策略：
数据块大小：选择适当的数据块大小以最大化空间局部性的利用。替换策略：设计针对时间局部性的替换策略，保留最近使用的数据。
预取策略：根据空间局部性预先加载可能被访问的数据，以提高Cache命中率。综合利用时间局部性和空间局部性原理，CPU
Cache能够极大地优化数据访问性能，减少主存访问延迟，提高处理器的运行效率，是计算机系统中至关重要的组件之一。

CPU Cache 为啥是通过 SRAM 实现的

在现代计算机中，我们最熟悉的半导体存储体有三种：

用于存储BIOS信息的EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read Only
Memory，电可擦写可编程只读存储器）用于存储临时工作数据的DRAM（Dynamic Random Access
Memory，动态随机访问存储器） SRAM（Static Random Access Memory，静态随机访问存储器）。
EEPROM由于成本过高，速度太慢，肯定不能做为Cache材料的选择，而DRAM和SRAM两种，为什么是SRAM用来做Cache，而不是DRAM呢？当然最大的原因是速度。

我们知道DRAM目前最常见的应用就是内存了，它是利用每个单元的寄生电容来保存信号的，正因如此，它的信号强度就很弱，容易丢失，所以DRAM需要时时刷新来确定其信号（根据DRAM制造商的资料，DRAM至少64ms要刷新一次，并且由于每次读取操作都会破坏DRAM中的电荷，所以每次读取操作之后也要刷新一次，这就表示，DRAM至少有1%的时间是用来刷新的）。这样，DRAM的存储周期就增大了，当然潜伏期也变大了。我们从Cache的起源可以看出，正是因为内存的读取时间过高而引入Cache的，所以DRAM不符合做Cache的标准。

而SRAM不是通过电容充放电来存储数据，而是利用设置晶体管的状态来决定逻辑状态，让其保存数据，并且这种逻辑状态和CPU本身的逻辑状态相象，换句话说，SRAM可以以接近CPU频率的速度来运行（在今年秋季的IDF上，Intel公布的65nm工艺的SRAM，可以��行在3.4GHz的频率上），再加上读取操作对SRAM是不具破坏性的，不存在刷新问题，大大的缩短了潜伏期。所以这种低延迟，高速度的SRAM才是Cache材料的首选。

1：cache，SRAM，flash区别

1、寄存器：CPU的内部组成单元,是CPU运算时取指令和数据的地方，速度很快
2、cache：缓存即就是用于暂时存放内存中的数据(TLB快表 )

2： SRAM与DRAM有什么区别？

1、flash是只能读不能写的，cache跟cpu集成在一起，所以读写的速度最快。
2、cache是一个高速小容量的临时存储器，可以用高速的静态存储器芯片实现。而flash是没有高速静态存储器芯片，Flash与cpu通信只能通过controller SPI通信，所以Flash慢 cache很快。
3、SAM非常适合作缓冲存储器之用，一般情况下，缓存中数据的存储顺序与调用顺序相同（显卡中的缓存就是个很好的例子）；而RAM则能以任意的顺序存取数据。