處理器（續）_緩存（cache）

4.處理器（續）_緩存（cache）

4.1硬件的處理速度

由于經濟因素，處理器和內存所使用的半導體工藝不同，工藝的差異導致了處理器和內存的速度差異，處理器總是要等待內存，處理器速度遠遠大于內存。所以在兩者之間增加緩存是及其必要的。
通常：V處理 > V處理器內部寄存器 > V緩存 > V內存 > Vflash

4.2程序訪問的局部性

程序運行時有一個特點，在短時間內，處理器訪問的儲存空間是一個很小的范圍。
A.時間局部性：某個存儲單元在短時間內很可能被再次訪問
B.空間局部性：某個存儲單元的鄰近單元在短時間內也可能被訪問
4.3 cache
Cache是一種小容量高速存儲器，其存取速度與處理器的運算速度幾乎同量級，現代計算機通常將其內置于處理器芯片內。
在處理器和內存之間設置cache，把內存中別頻繁訪問的指令和數據復制到cache中。大多數情況下，處理器能直接從cache中取得指令和數據。

4.4 內存和緩存之間的映射

內存與緩存之間的映射最簡單的方法是直接映射法。特點是任意一個內存地址都能映射到cache中的一個固定位置。

直接映射法

?將cache和內存分成固定大小的塊（如512Byte/塊）
?內存中每一塊在cache中有固定的映射位置
?映射公式為：pos_cache = 內存塊號 % cache總塊數，如下圖示：

地址劃分：

![](https://s1.51cto.com/images/blog/201803/09/1037cd3857ebfbac7c4c45dc02e2a74c.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=)

映射原理：

根據訪問地址中的c位找到cache中的對應塊，比較地址中的t位和對應塊號的flag是否相同。
?相同，則根據塊內地址做為偏移量直接讀取數據
?不同，說明要訪問的內存數據不在緩存中，則從內存中復制塊內容到緩存。

直接映射法示例：

直接映射法的特點：

優點：映射過程簡單，所需耗時短
缺點：當短時間訪問的地址有同余沖突（兩片內存對應同一片緩存），會造成緩存失效。

4.5 Cache原理軟件應用：

背景：日志系統對系統效率影響很大，同時不易分析，無法高效打印二進制數據，需要自定義日志的解析格式，并且可以對日志進行分類，控制其輸出。
最初方案：開發一個日志解析軟件，配合腳本實現日志解析，每一種日志都有自己對應的解析程序。當有日志來時，通過日志類型查找對應的解析程序。
問題：短時間內有大量日志需要打印時，性能無法滿足要求。性能的瓶頸在于每次頻繁查找耗時太多。
解決方案：根據cache原理，設置二級緩存，盡可能避開查找。