Question

为什么要采用Cache

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问题描述:

我想知道它的功能和作用,以及它的好处,希望有识之士帮忙解答,谢谢!

解析:

现在使用的绝大多数CPU都带有高速缓存――Cache，有的甚至集成了多极缓存；而我们选择主板时，板上的Cache数量也是一个重要的考虑因素。早期的486集成了4～8K的一级片内Cache，而现在的Pentium II至强处理器不仅集成了32K一级片内Cache，还将512K～2M的二级Cache全速Cache集成进去。那么，Cache对于系统的作用是什么呢？为什么要集成越来越多的Cache呢？

现在计算机系统中都采用高速 DRAM（动态RAM）芯片作为主存储器。早期的 CPU 速度比较慢，CPU与内存间的数据交换过程中，CPU处于等待状态的情况很多。以早期的8MHz的286为例，其时钟周期为125ns，而DRAM的存取时间一般为60~100ns。因此CPU与主存交换数据无须等待，这种情况称为零等待状态。所以CPU与内存直接打交道是完全不影响速度的。可是近年来CPU的时钟频率的发展速度远远超过了DRAM读写速度的进展。在短短几年内，CPU的时钟周期从100ns加速到几个ns，而DRAM经历了FPM，EDO，SDRAM几个发展阶段，速度只不过从几十ns提高到10ns左右，DRAM和CPU之间的速度差，使得CPU在存储器读写总线周期中必须插入等待周期；由于CPU与内存的频繁交换数据，这极大地影响了整个系统的性能。这使得存储器的存取速度已成为整个系统的瓶颈。当然，另一种方案是采用高速的静态 RAM（SRAM）作为主存储器与CPU匹配，问题是SRAM结构复杂，不仅体积大而且价格昂贵。因此，除了大力加快DRAM的存取速度之外，当前解决这个问题的最佳方案是采用Cache技术。Cache即高速缓冲存储器，它是位于CPU和DRAM主存之间的规模小的速度快的存储器，通常由SRAM组成。Cache的工作原理是保存CPU最常用数据；当Cache中保存着CPU要读写的数据时，CPU直接访问Cache。由于Cache的速度与CPU相当，CPU就能在零等待状态下迅速地实现数据存取。只有在Cache中不含有CPU所需的数据时CPU才去访问主存。Cache在CPU的读取期间依照优化命中原则淘汰和更新数据，可以把Cache看成是主存与CPU 之间的缓冲适配器，借助于Cache，可以高效地完成DRAM内存和CPU之间的速度匹配。

386以前的芯片一般都没有Cache，对后来的486以及奔腾级甚至更高级芯片，已把Cache集成到芯片内部，称为片内Cache。片内Cache的容量相对较小，可以存储CPU最常用的指令和数据。别看容量小，片内Cache灵活方便，对系统效率有相当的提高。你可以试着在BIOS中关掉你的CPU的内部Cache，你可以发现这可能会使你的系统性能下降一半甚至更多。

但是，片内Cache容量有限，在CPU内集成大量的SRAM会极大的降低CPU的成品率，增加CPU的成本。在这种情况下，采取的措施是在CPU芯片片内Cache与DRAM间再加Cache，称为片外二级 Cache(Secondary Cache)。片外二级Cache实际上是CPU与主存之间的真正缓冲。由于主板DRAM的响应时间远低于CPU的速度，如果没有片外二级Cache，就不可能达到CPU的理想速度。片外二级 Cache的容量通常比片内Cache大一个数量级以上。

主板上的片外Cache工作在CPU的外频下，与CPU主频速度通常相差几倍。为了进一步提高系统性能，在CPU片内Cache和主板 Cache之间可以加入真正的二级Cache。这就是片内二级Cache。它通常以CPU主频的半速或全速工作，容量一般为128K～512K，而新的至强处理器则达到2M以上。全速的二级Cache可以极大地加速大型密集性程序的运行速度，带有同速的Cache的Pentium II 至强、 Pentium Pro系列处理器是大型服务器的首选CPU。但集成高密度的二级Cache同样会加大CPU的成本；所以这一类的处理器都是价格昂贵的产品；而去掉二级Cache的处理器性能虽然有不少下降，但价格可以降得很多。市场上的赛扬处理器就是一个很好的例子。使用这种带有二级Cache的CPU时，主板的Cache就成了实际上的三级Cache。

如今的高档机中，Cache是系统必不可少的一个重要组成部分，了解一些Cache的基本原理，对于我们进行系统优化和配置是极其重要的。