Digital-electronics 简明教程
Cache Memory Design
Cache memory 是一种可以加速 CPU 的高速半导体存储器。它充当了 CPU 和主存储器之间的缓冲器。它用于保存 CPU 最常使用的那些部分数据和程序。在操作系统将数据和程序的部分从磁盘传输到高速缓存存储器时，CPU 便可从中读取数据和程序。
在本章节，我们将详细阐述高速缓存存储器及其优点和缺点。
What is Cache Memory?
在计算机等数字系统中，高速缓存存储器是一种高速易失性半导体存储器，用于存储由系统中央处理器频繁访问的数据和指令。
高速缓存存储器充当处理元件和主存储器/主存储器之间的缓冲器，更具体而言是 RAM（随机存取存储器）。它主要用于针对最近和最常使用的数据和程序提供更快的访问。
高速缓存存储器用于提高数字系统的性能和效率，因为它减少了访问数据所需的时间。
Cache Memory Design
在本文的本节中，我们将探讨缓存存储器设计的不同概念：
Cache Memory Hierarchy
高速缓存存储器通常按多个层次结构组织，其中每个层次称为高速缓存层次或高速缓存层。计算机系统通常具有多个高速缓存层次，最常见的是 L1（1 级高速缓存）、L2（2 级高速缓存）和 L3（3 级高速缓存）。其中，L1 高速缓存存储器是最小、最快速且最靠近系统 CPU 的，而 L2 和 L3 高速缓存存储器比 L1 高速缓存更大且更慢。
Mapping Techniques for Cache Memory
映射技术用于确定内存块如何映射到高速缓存块。以下三种类型的缓存映射技术通常使用：
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Direct Mapping - 直接映射是一种简单的缓存映射技术，其中每个内存块被映射到某个缓存块中。然而，此技术可能导致很高的冲突率。
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Fully Associative Mapping − 在映射技巧上，每个内存块都可以放在任何缓存块上，所以此技巧具有很高的灵活性。然而，它需要添加硬件。
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Set Associative Mapping − 该映射技巧是直接映射和全相连映射的组合。在此技巧上，缓存被分割成了缓存集，并且每个内存块都可以放在任何缓存块内，与它的相应缓存集相匹配。
Cache Replacement Algorithms
当一个内存块被要求访问同一个已经被占用的缓存块时，cache replacement algorithm 被用来决定内存块应该被替换成哪个，目的是为新内存块在 cache memory 中腾出空间。
以下三个是常用的 cache replacement 算法 −
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First-In First-Out (FIFO) Algorithm − 此算法会替换掉在缓存中待得时间最长的内存块。
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Least Recently Used (LRU) Algorithm − 此算法会替换掉最近被获取的次数最少的内存块。
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Random Replacement (RR) Algorithm − 该算法会随机替换掉任意一个内存块。
Types of Cache Memory
按照“层级”对 cache memory 进行分类。其中，每层描述了数字系统中处理元件的可访问性和亲密性。
cache memory 的分类包括以下三个层级 −
L1 (Level 1) Cache Memory
它也被称作 primary cache memory。L1 cache memory 的速度最快。但它体积很小，且主要用在 CPU cache 形式的处理器芯片上。
Features of Cache Memory
cache memory 的关键特点如下 −
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高速缓存存储器比主存储器更快。
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与主存储器相比，它消耗的访问时间更少。
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它存储可以在短时间内执行的程序。
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它存储数据以供临时使用。
Advantages of Cache Memory
在数字系统中，cache memory 提供了许多的优点，因为它可以改善系统的整体运行状况和效率。cache memory 的一些主要优点如下 −
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cache memory 提供了更快的存取速度，并减少了总的存取时间。cache memory 的此特性有助于加速任务的执行。
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cache memory 有助于减少内存延迟，方法是存储最近使用和最常使用的的资料和指令。同时，它最大限度地减少了对较慢主内存或 RAM 的依赖。此特点也会改善系统运行状况和效率。
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cache memory 和 CPU 以相同的速度运行。因此，它可以持续提供输入资料和指令，减少 CPU 的空闲时间。所以，它也改善了 CPU 使用。
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高速昂贵的 cache 内存与低速便宜的主内存之间的差距是由 Cache 存储器弥合的。在速度、容量和成本之间取得了平衡。