缓冲存储器

一种高速缓冲存储器

缓冲存储器（Cache）是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU和主存之间速度不匹配而采用的一项重要技术。Cache是介于CPU和主存之间的小容量存储器，但存取速度比主存快。主存容量配置几百MB的情况下，Cache的典型值是几百KB。Cache能高速地向CPU提供指令和数据，从而加快了程序的执行速度。从功能上看，它是主存的缓冲存储器，由高速的SRAM组成。为追求高速，包括管理在内的全部功能均由硬件实现，因而对程序员是透明的。

简介

当前随着半导体器件集成度的进一步提高，缓冲存储器已放入到CPU中，其工作速度接近CPU的速度，从而能组成两级以上的Cache系统。

工作原理

缓冲存储器工作原理要求它尽量保存最新数据。当一个新的主存块需要复制到Cache，而允许存放此块的行位置都被其他主存块占满时，就要产生替换。替换问题与Cache的组织方式紧密相关。对直接映射的Cache来说，因一个主存块只有一个特定的行位置可存放，所以问题解决起来很简单，只要把此特定位置上的原主存块换出Cache即可。对全相联和组联Cache来说，就要从允许存放新主存块的若干特定行中选取一行换出。

算法

如何选取就涉及到替换策略，又称替换算法。通过硬件实现的常用算法主要有以下3种。

最不经常使用（LFU）算法

LFU算法认为应将一段时间内被访问次数最少的那行数据换出。为此，每行设置一个计数器。新行建立后从0开始计数，每访问一次，被访问行的计数器增1。当需要替换时，对这些特定行的计数值进行比较，将计数值最小的行换出，同时将这些特定行的计数器都清零。这种算法将计数周期限定在对这些特定行两次替换之间的间隔内，因而不能严格反映近期访问情况。

近期最少使用（LRU）算法

LRU算法将近期内长时间未被访问过的行换出。为此，每行也设置一个计数器，但它们是Cache每命中一次，命中行计数器清零，其他各行计数器增1。当需要替换时，比较各特定行的计数值，将计数值最大的行换出。这种算法保护了刚复制到Cache中的新数据行，符合Cache工作原理，因而使Cache有较高的命中率。

对2路级联的Cache来说，LRU算法的硬件实现可以简化。因为一个主存块只能在一个特定组的两行中做存放选择，二选一完全不需要计数器，只需一个二进制位即可。例如，规定一组中的A行复制进新数据可将此位置“1”，B行复制进新数据可将此位置“0”。当需要置换时，只需检查此二进制的位状态即可：为0换出A行，为1换出B行，实现了保护新行的原则。奔腾CPU内的数据Cache是一个2路级联结构，就采用这种简洁的LRU替换算法。

随机替换

随机替换策略实际上是不要什么算法，从特定的行位置中随机地选取一行换出即可。这种策略在硬件上容易实现，且速度也比前两种策略快。缺点是随意换出的数据很可能马上又要使用，从而降低命中率和Cache工作效率。但这个缺陷随Cache容量的增大而减小。研究表明，随机替换策略的功效仅稍逊于前两种策略。

应用

缓冲存储器在电脑上应用的比较多。每一个硬盘上面都含有一个缓冲存储器，这个存储器主要可以将硬盘内常使用的数据快取起来，以加速系统的读取效能。通常这个缓冲存储器越大越好，因为缓冲存储器的速度要比数据从硬盘中被找出来的速度快！目前主流产品可达16MB 左右内存大小。

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