优化CACHE性能：命中率、容量与组织策略

在《CACHE使用中的几个问题-存储器新2.PPT》中，讨论了高速缓存（CACHE）在计算机体系结构中的关键作用以及影响其性能的关键因素。首先，CACHE的重要技术指标之一是命中率，它衡量的是数据从CACHE快速访问到内存的频率，高命中率意味着系统运行效率更高。 影响CACHE命中率的因素包括： 1. **CACHE容量**：通常来说，CACHE容量越大，能容纳更多的常用数据，提高查找效率，进而提升命中率。然而，过大容量会增加硬件成本，所以需要权衡。 2. **Cache Line Size**：即CACHE一次交换的信息单位大小，过小可能导致频繁的数据交换，降低效率；过大则浪费空间。选择合适的Cache Line Size对命中率至关重要。 3. **组织方式**：多路组相联（Multi-way Set Associative）优于直接映射或全相联，因为它减少了因并发访问造成的冲突，从而提高了命中率。 4. **多级组织**：通过构建多级CACHE（如L1, L2, L3等），可以进一步提高命中率，因为数据可以先被存储在较快速但容量较小的L1中，当需要时再从L2或L3中获取，减少主存访问次数。 5. **替换算法**：当CACHE填满后，如何选择淘汰最不常使用的数据进行替换，常见的算法有Least Recently Used (LRU)、First In First Out (FIFO)等，选择合适的算法能保持较高的命中率。 此外，PPT还提到了微电子技术发展趋势，特别是处理器（CPU）和动态随机存取存储器（DRAM）性能的增长对比。CPU性能每年增长60%，而DRAM仅9%，这导致两者性能差距扩大。为了弥补这一差距，采用多体结构的主存储器设计成为关键，通过平行操作多个独立的存储体来提高整体速度，同时考虑程序的局部性原理来优化数据布局。 层次存储器系统是解决存储器性能需求的有效策略，它将不同速度、容量和成本的存储介质组合起来，形成统一管理的系统。其中，CACHE作为最靠近CPU的快速存储，主要存放热点数据，而DRAM和更大的存储器则用于存放非热点数据。通过这种方式，存储系统能够兼顾速度、容量和成本，实现最优的性能价格比。例如，使用速度更快但容量较小的SRAM芯片构建CACHE，而DRAM则作为主要的主存储器，容量大且适中。