理解Cache：提升访存速度的关键技术

“加快访存速度措施之引入Cache-计算机系统基础第六章ppt” 在计算机系统中，为了提高CPU的执行效率，引入了Cache这一技术。这是因为大部分程序在执行时表现出一种名为“局部性”的特性，即在较短的时间间隔内，程序访问的地址通常集中在一小片区域内。这包括空间局部性和时间局部性：程序指令通常顺序存放和执行，数据往往连续存储且按序访问，尤其是在循环和子程序中。因此，当引入Cache，即一个位于CPU和主存之间的快速小容量存储器时，可以显著提升访存速度。 Cache的主要作用是存储近期最常被访问的数据和指令，由于程序局部性，大多数时候CPU可以从Cache直接获取所需信息，而无需等待较慢的主存响应。这大大减少了CPU等待数据的时间，提高了整个系统的运行速度。 在层次结构存储系统中，Cache作为第一级快速存储器，位于CPU和主存之间。当CPU需要数据时，首先检查Cache，如果数据在Cache中（称为命中），则可以直接读取；如果不在（称为未命中），则需要从主存中获取，并可能将该数据复制到Cache，以备后续使用。这个过程涉及地址映射，包括直接映射、全相联映射和组相联映射等策略，以优化Cache的效率。 此外，主存与CPU之间的连接也是关键。主存通过总线与CPU相连，进行读写操作。在执行指令的过程中，如取指、取数、存数等，都需要进行访存操作。例如，PUSH和POP指令会涉及栈，栈是主存的一部分，用于保存临时数据和返回地址。 虚拟存储器是另一个提高存储效率的手段，它提供了比实际物理内存更大的地址空间，通过页面映射和页面替换算法，使得程序可以运行在比实际物理内存更大的“内存”中。在IA-32/Linux系统中，地址转换是一个重要环节，逻辑地址经过一系列转换变为线性地址，再由线性地址转换为物理地址，这一过程涉及到页表和 Translation Lookaside Buffer (TLB)。 理解这些概念和机制对于编写运行效率高的程序至关重要，开发者可以通过利用程序局部性原理来设计算法，使得数据和指令在内存中的分布更有利于Cache的使用，从而提升程序的运行速度。同时，对虚拟存储的理解有助于在有限的物理内存条件下处理大型程序。