每天学一点计算机 高速缓冲储存器（2）

3Cache的基本结构

Cache的基本结构原理框图如图：

它主要由Cache存储体、地址映射变换机构、Cache替换机构几大模块组成。

（1）Cache存储体

Cache存储体以块为单位与主存交换信息，为加速Cache与主存之间的调动，主存大多采用多体结构，且Cache访存的优先级最高。

（2）地址映射变换机构

地址映射变换机构是将CPU送来的主存地址转换为Cache地址。由于主存和Cache的块大小相同，块内地址都是相对于块的起始地址的偏移量（即低位地址相同），因此地址变换主要是主存的块号（高位地址）与Cache块号间的转换。而地址变换又与主存地址以什么样的函数关系映射到Cache中（称为地址映射）有关。如果转换后的Cache块与CPU欲访问的主存块建立了对应关系，即命中，CPU直接访问Cache存储体。如果转换后Cache块与CPU欲访问的主存块未建立对应关系，即不命中，此时CPU访问主存时，不仅将该字从主存取出，同时将它所在主存块一并调入Cache。如CPU已装满，则采用替换策略。

（3）替换机构

当Cache内容已满，无法接受来自主存块的信息时，就由Cache的替换机构按一定的替换算法确定从Cache内移除哪个块返回主存，装入新的主存块。

Cache对用户是透明的，即用户编程时所用到的地址是主存地址，将主存块调入Cache的任务全由机器硬件自动完成。

（4）Cache的读写操作

读操作：

当CPU发出主存地址后，首先判断该存储字是否在Cache中。若命中，直接访问，将该字送至CPU中；若未命中，一方面要访问主存，将该字传送给CPU，与此同时，将该字所在主存块装入Cache，若此时已装满，则执行替换。

写操作：

写操作需要主存块与Cache块中信息完全一致。当需要进行写操作时，会出现如何使Cache与主存内容保持一致的问题。有以下几种方法

1、写直达法，也叫存直达法，写操作时数据既写入Cache又写入主存。它能随时保证主存和Cache的数据始终一致，但是增加了访存次数。

2、写回法，也叫拷回法，写操作时只写入Cache，当Cache数据被替换时才写回主存。可见Cache数据会与主存数据不一致。为了识别Cache中的数据与主存是否一致，Cache中每一块要增加一个标志位，有两个状态“清”“浊”。清是未修改过，与主存一致，浊是修改过，与主存不一致。在Cache替换时，”清”的Cache块不必写回内存，因为此时和内存一致。而写Cache时，要将该标志设置为“浊”，替换时此Cache块要写回内存，同时标志位改为“清”。

写直达法中，写时间就是访问主存的时间

写回法中，写时间就是访问Cache的时间

对于有多个处理器的系统，各自都有独立的Cache，且都共享主存。当一个缓存器中数据被修改时，不仅主存中相对应字无效，连同其他缓存中相对应得字也无效（恰好其他缓存有对应的字）。即使通过写直达改变了主存相应的字，其他缓存中数据仍然无效，这就是Cache一致性问题。