緩存器

高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)其原始意義是指存取速度比一般隨機(jī)存取記憶體(RAM)來(lái)得快的一種RAM，一般而言它不像系統(tǒng)主記憶體那樣使用DRAM技術(shù)，而使用昂貴但較快速的SRAM技術(shù)，也有快取記憶體的名稱。高速緩沖存儲(chǔ)器是存在于主存與CPU之間的一級(jí)存儲(chǔ)器， 由靜態(tài)存儲(chǔ)芯片(SRAM)組成，容量比較小但速度比主存高得多， 接近于CPU的速度。在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)中，是介于中央處理器和主存儲(chǔ)器之間的高速小容量存儲(chǔ)器。它和主存儲(chǔ)器一起構(gòu)成一級(jí)的存儲(chǔ)器。高速緩沖存儲(chǔ)器和主存儲(chǔ)器之間信息的調(diào)度和傳送是由硬件自動(dòng)進(jìn)行的。高速緩沖存儲(chǔ)器最重要的技術(shù)指標(biāo)是它的命中率。

高速緩沖存儲(chǔ)器是存在于主存與CPU之間的一級(jí)存儲(chǔ)器， 由靜態(tài)存儲(chǔ)芯片(SRAM)組成，容量比較小但速度比主存高得多， 接近于CPU的速度。主要由三大部分組成：Cache存儲(chǔ)體：存放由主存調(diào)入的指令與數(shù)據(jù)塊。地址轉(zhuǎn)換部件：建立目錄表以實(shí)現(xiàn)主存地址到緩存地址的轉(zhuǎn)換。替換部件：在緩存已滿時(shí)按一定策略進(jìn)行數(shù)據(jù)塊替換，并修改地址轉(zhuǎn)換部件。

高速緩沖存儲(chǔ)器通常由高速存儲(chǔ)器、聯(lián)想存儲(chǔ)器、替換邏輯電路和相應(yīng)的控制線路組成。在有高速緩沖存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，中央處理器存取主存儲(chǔ)器的地址劃分為行號(hào)、列號(hào)和組內(nèi)地址三個(gè)字段。于是，主存儲(chǔ)器就在邏輯上劃分為若干行;每行劃分為若干的存儲(chǔ)單元組;每組包含幾個(gè)或幾十個(gè)字。高速存儲(chǔ)器也相應(yīng)地劃分為行和列的存儲(chǔ)單元組。二者的列數(shù)相同，組的大小也相同，但高速存儲(chǔ)器的行數(shù)卻比主存儲(chǔ)器的行數(shù)少得多。聯(lián)想存儲(chǔ)器用于地址聯(lián)想，有與高速存儲(chǔ)器相同行數(shù)和列數(shù)的存儲(chǔ)單元。當(dāng)主存儲(chǔ)器某一列某一行存儲(chǔ)單元組調(diào)入高速存儲(chǔ)器同一列某一空著的存儲(chǔ)單元組時(shí)，與聯(lián)想存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)位置的存儲(chǔ)單元就記錄調(diào)入的存儲(chǔ)單元組在主存儲(chǔ)器中的行號(hào)。

當(dāng)中央處理器存取主存儲(chǔ)器時(shí)，硬件首先自動(dòng)對(duì)存取地址的列號(hào)字段進(jìn)行譯碼，以便將聯(lián)想存儲(chǔ)器該列的全部行號(hào)與存取主存儲(chǔ)器地址的行號(hào)字段進(jìn)行比較：若有相同的，表明要存取的主存儲(chǔ)器單元已在高速存儲(chǔ)器中，稱為命中，硬件就將存取主存儲(chǔ)器的地址映射為高速存儲(chǔ)器的地址并執(zhí)行存取操作;若都不相同，表明該單元不在高速存儲(chǔ)器中，稱為脫靶，硬件將執(zhí)行存取主存儲(chǔ)器操作并自動(dòng)將該單元所在的那一主存儲(chǔ)器單元組調(diào)入高速存儲(chǔ)器相同列中空著的存儲(chǔ)單元組中，同時(shí)將該組在主存儲(chǔ)器中的行號(hào)存入聯(lián)想存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)位置的單元內(nèi)。當(dāng)出現(xiàn)脫靶而高速存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)列中沒(méi)有空的位置時(shí)，便淘汰該列中的某一組以騰出位置存放新調(diào)入的組，這稱為替換。確定替換的規(guī)則叫替換算法，常用的替換算法有:最近最少使用算法(LRU)、先進(jìn)先出法(FIFO)和隨機(jī)法(RAND)等。替換邏輯電路就是執(zhí)行這個(gè)功能的。另外，當(dāng)執(zhí)行寫(xiě)主存儲(chǔ)器操作時(shí)，為保持主存儲(chǔ)器和高速存儲(chǔ)器內(nèi)容的一致性，對(duì)命中和脫靶須分別處理。

主-輔存存儲(chǔ)層次 由于計(jì)算機(jī)主存容量相對(duì)于程序員所需要的容量來(lái)說(shuō)總是太小，程序與數(shù)據(jù)從輔存調(diào)入主存是由程序員自己安排的，程序員必須花費(fèi)很大精力和時(shí)間把大程序預(yù)先分成塊，確定好這些程序塊在輔存中的位置和裝入主存的地址，而且還要預(yù)先安排好程序運(yùn)行時(shí)各塊如何和何時(shí)調(diào)入調(diào)出，因此存在存儲(chǔ)空間的分配問(wèn)題。操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展使得程序員盡可能擺脫主、輔存之間的地址定位，同時(shí)形成了支持這些功能的“輔助硬件”，通過(guò)軟件、硬件的結(jié)合，把主存和輔存統(tǒng)一成了一個(gè)整體，如圖所示。這時(shí)，由主存、輔存形成了一個(gè)存儲(chǔ)層次，即存儲(chǔ)系統(tǒng)。從整體看，其速度接近于主存的速度，其容量則接近于輔存的容量，而每位的平均價(jià)格也接近于廉價(jià)的慢速的輔存平均價(jià)格。這種系統(tǒng)不斷發(fā)展和完善，就逐步形成了現(xiàn)在廣泛使用的虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，應(yīng)用程序員可用機(jī)器指令地址碼對(duì)整個(gè)程序統(tǒng)一編址，如同程序員具有對(duì)應(yīng)這個(gè)地址碼寬度的全部虛存空間一樣。該空間可以比主存實(shí)際空間大得多，以致可以存得下整個(gè)程序。這種指令地址碼稱為虛地址(虛存地址、虛擬地址)或邏輯地址，其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)容量稱為虛存容量或虛存空間;而把實(shí)際主存的地址稱為物理地址、實(shí)(存)地址，其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)容量稱為主存容量、實(shí)存容量或?qū)?主)存空間。