緩存技術(shù)

緩存(cache)，原始意義是指訪問速度比一般隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)快的一種高速存儲(chǔ)器，通常它不像系統(tǒng)主存那樣使用DRAM技術(shù)，而使用昂貴但較快速的SRAM技術(shù)。緩存的設(shè)置是所有現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)揮高性能的重要因素之一。

緩存是指可以進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換的存儲(chǔ)器，它先于內(nèi)存與CPU交換數(shù)據(jù)，因此速率很快。L1 Cache(一級(jí)緩存)是CPU第一層高速緩存。內(nèi)置的L1高速緩存的容量和結(jié)構(gòu)對(duì)CPU的性能影響較大，不過高速緩沖存儲(chǔ)器均由靜態(tài)RAM組成，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在CPU管芯面積不能太大的情況下，L1級(jí)高速緩存的容量不可能做得太大。一般L1緩存的容量通常在32—256KB。L2　Cache(二級(jí)緩存)是CPU的第二層高速緩存，分內(nèi)部和外部兩種芯片。內(nèi)部的芯片二級(jí)緩存運(yùn)行速率與主頻相同，而外部的二級(jí)緩存則只有主頻的一半。L2高速緩存容量也會(huì)影響CPU的性能，原則是越大越好，普通臺(tái)式機(jī)CPU的L2緩存一般為128KB到2MB或者更高，筆記本、服務(wù)器和工作站上用CPU的L2高速緩存最高可達(dá)1MB-3MB。由于高速緩存的速度越高價(jià)格也越貴，故有的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中設(shè)置了兩級(jí)或多級(jí)高速緩存。緊靠CPU的一級(jí)高速緩存的速度最高，而容量最小，二級(jí)高速緩存的容量稍大，速度也稍低。

緩存只是內(nèi)存中少部分?jǐn)?shù)據(jù)的復(fù)制品，所以CPU到緩存中尋找數(shù)據(jù)時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)找不到的情況(因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)沒有從內(nèi)存復(fù)制到緩存中去)，這時(shí)CPU還是會(huì)到內(nèi)存中去找數(shù)據(jù)，這樣系統(tǒng)的速率就慢下來了，不過CPU會(huì)把這些數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中去，以便下一次不要再到內(nèi)存中去取。隨著時(shí)間的變化，被訪問得最頻繁的數(shù)據(jù)不是一成不變的，也就是說，剛才還不頻繁的數(shù)據(jù)，此時(shí)已經(jīng)需要被頻繁的訪問，剛才還是最頻繁的數(shù)據(jù)，又不頻繁了，所以說緩存中的數(shù)據(jù)要經(jīng)常按照一定的算法來更換，這樣才能保證緩存中的數(shù)據(jù)是被訪問最頻繁的。

緩存的工作原理是當(dāng)CPU要讀取一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，首先從CPU緩存中查找，找到就立即讀取并送給CPU處理;沒有找到，就從速率相對(duì)較慢的內(nèi)存中讀取并送給CPU處理，同時(shí)把這個(gè)數(shù)據(jù)所在的數(shù)據(jù)塊調(diào)入緩存中，可以使得以后對(duì)整塊數(shù)據(jù)的讀取都從緩存中進(jìn)行，不必再調(diào)用內(nèi)存。正是這樣的讀取機(jī)制使CPU讀取緩存的命中率非常高(大多數(shù)CPU可達(dá)90%左右)，也就是說CPU下一次要讀取的數(shù)據(jù)90%都在CPU緩存中，只有大約10%需要從內(nèi)存讀取。這大大節(jié)省了CPU直接讀取內(nèi)存的時(shí)間，也使CPU讀取數(shù)據(jù)時(shí)基本無需等待?？偟膩碚f，CPU讀取數(shù)據(jù)的順序是先緩存后內(nèi)存。RAM(Random-Access Memory)和ROM(Read-Only Memory)相對(duì)的，RAM是掉電以后，其中的信息就消失那一種，ROM在掉電以后信息也不會(huì)消失那一種。

RAM又分兩種，一種是靜態(tài)RAM，SRAM(Static RAM);一種是動(dòng)態(tài)RAM，DRAM(Dynamic RAM)。前者的存儲(chǔ)速率要比后者快得多，使用的內(nèi)存一般都是動(dòng)態(tài)RAM。為了增加系統(tǒng)的速率，把緩存擴(kuò)大就行了，擴(kuò)的越大，緩存的數(shù)據(jù)越多，系統(tǒng)就越快了，緩存通常都是靜態(tài)RAM，速率是非常的快， 但是靜態(tài)RAM集成度低(存儲(chǔ)相同的數(shù)據(jù)，靜態(tài)RAM的體積是動(dòng)態(tài)RAM的6倍)， 價(jià)格高(同容量的靜態(tài)RAM是動(dòng)態(tài)RAM的四倍)， 由此可見，擴(kuò)大靜態(tài)RAM作為緩存是一個(gè)非常愚蠢的行為， 但是為了提高系統(tǒng)的性能和速率，必須要擴(kuò)大緩存， 這樣就有了一個(gè)折中的方法，不擴(kuò)大原來的靜態(tài)RAM緩存，而是增加一些高速動(dòng)態(tài)RAM做為緩存， 這些高速動(dòng)態(tài)RAM速率要比常規(guī)動(dòng)態(tài)RAM快，但比原來的靜態(tài)RAM緩存慢， 把原來的靜態(tài)RAM緩存叫一級(jí)緩存，而把后來增加的動(dòng)態(tài)RAM叫二級(jí)緩存。