1、cache的作用

cache由SRAM构成，cache存取速度远高于内存，存储容量远小于主存。

cache仅保存主存中最活跃的一部分副本，以便CPU能高速的访问他们，从而解决CPU与内存速度不匹配的问题。

2、程序的局部性访问原理

（1）时间局部性

现在正在用的数据，很可能在不久的将来仍然被使用。

（2）空间局部性

现在正在用的数据，很可能与不久的将来要用到的数据相邻。

3、cache工作原理

为了方便cache和主存空间交换信息，cache和主存都被划分为许多大小相等的块，每一块由若干字节组成，cache块也成为cache行。

CPU访存可以分为两种方式，一种是先访问cache,未命中再访问主存，另一种是二者同时访问。

CPU根据MAR中的地址访存，若访存地址在Cache中命中，就将此块一次性的从主存调入cache。

4、cache命中率与cache

CPU欲访问的信息已经在cache中的比率称为cache的命中率。

cache命中率 ＝ 访问cache次数/访问主存次数＋访问cache次数

假设命中率为H，Tc为命中是的cache访问时间，tm为未命中时的主存访问时间

（1）先访问cache，未命中再访问主存
  平均访问时间ta ＝ H*tc ＋ (1-H)*(tc + tm )

(2) 同时访问cache和主存
  平均访问时间 ta = Htc + (1-H)tm

主存的映射关系

重头戏登场了，首先我们想一下，为什么需要映射呢，他有什么作用呢？CPU访问cache如果没有命中，他就会去访问主存，之后需要将主存中的这一块复制到cache中。那么问题就来了，这块内容我该放在cache的哪里呢，我为什么就放在这里，不放在另一个地方，这就是地址映射的作用了。

主存分块制度：引入这种制度后，主存的物理地址就划分为了主存块号加块内地址。

同理cache地址也会分为几个部分，包块标记、cache行号、块内地址。其中cache行号和块内地址对那个主存中的主存块号和块内地址。

标记的作用：指明当前这一块是主存中那一块的副本。

同时，每个cache行会分配一个有效位，来说明cache行中的信息是否有效，1代表有效，0代表无效。

1、全相联映射

主存中的每一块都可以装入cache中的任意位置

主存地址结构：

cache地址结构：

举个栗子：

假设主存为1MB，按字节编址，cache有八个cache行，行长为64B

那么可以得出：主存容量：1MB－》2^20B——》主存地址为20位

行长：64B－》2^6B->块内地址6位

全相联映射中，直接讲整个主存块号用作标记，也就是讲主存中的某一块映射到cache中的某一块后，cache中的标记就是映射过来的主存块号，此时，就可以通过cache当前这一块的标记来指明当前这一块是主存中的哪一块的副本。

全相联映射的优缺点分析：

优点：灵活，cache冲突率低，空间利用率高，命中率也高

缺点：比较速度缓慢，实现成本高，通常需要采用昂贵的按内容寻址的相联存储器进行地址映射。

2、直接映射

主存中的每一块只能装入cache的唯一位置。

主存块在cache中的位置 ＝ 主存块号％cache的总块数

主存地址结构：

在全相联映射中，是直接讲整个主存块号用作标记，而在直接映射中，由于主存块的映射方式为主存块号%cache总块数，而cache总块数一般可以写成2^n次方的形式，所以说主存块号的后n位已经直接指明了当前这一块主要存放在cache中的哪一个位置，也就是主存块号的后n位是cache行号。故我们假设主存块号为m位，cache行号n位，标记则不需要像全相联映射那样m位，只需要m-n位。