高速緩存的原理幾句話

A. 外部高速緩存的原理

Cache一詞來源於1967年的一篇電子工程期刊論文。其作者將法語詞「cache」賦予「safekeeping storage」的涵義，用於電腦工程領域。
當CPU處理數據時，它會先到Cache中去尋找，如果數據因之前的操作已經讀取而被暫存其中，就不需要再從隨機存取內存（Main memory）中讀取數據——由於CPU的運行速度一般比主內存的讀取速度快，主存儲器周期（訪問主存儲器所需要的時間）為數個時鍾周期。因此若要存取主內存的話，就必須等待數個CPU周期從而造成浪費。
提供「高速緩存」的目的是為了讓數據存取的速度適應CPU的處理速度，其基於的原理是內存中「程序執行與數據訪問的局域性行為」，即一定程序執行時間和空間內，被訪問的代碼集中於一部分。為了充分發揮高速緩存的作用，不僅依靠「暫存剛剛訪問過的數據」，還要使用硬體實現的指令預測與數據預取技術——盡可能把將要使用的數據預先從內存中取到高速緩存里。
CPU的高速緩存曾經是用在超級計算機上的一種高級技術，不過現今電腦上使用的的AMD或Intel微處理器都在晶元內部集成了大小不等的數據高速緩存和指令高速緩存，通稱為L1高速緩存（L1 Cache 即 Level 1 On-die Cache，第一級片上高速緩沖存儲器）；而比L1更大容量的L2高速緩存曾經被放在CPU外部（主板或者CPU介面卡上），但是現在已經成為CPU內部的標准組件；更昂貴的頂級家用和工作站CPU甚至會配備比L2高速緩存還要大的L3高速緩存（level 3 On-die Cache 第三級高速緩沖存儲器）。

B. 高速緩沖寄存器的可行性原理是

高速緩沖存儲器就是根據程序的局部性原理，可以在主存和CPU通用寄存器之間設置一個高速的容量相對比較小的存儲器，把正在執行的指令地址附近的一部分指令或者數據從主存調入這個存儲器，供CPU在一段時間內使用，這樣就能相對的提高CPU的運算速度。 他介於主存和CPU之間，這樣的高速小容量存儲器稱為高速緩沖存儲器。 隨著CPU的速度 越來越快高速緩存也越來越重要，有1級，2級，3級 另外在硬碟中也有高速緩存，工作原理是一樣的，希望能幫助 你。

C. 高速緩沖存儲器的工作原理是什麼

高速緩存內存標識位於主內存中的重復指令和數據，並將其復制到其內存中。CPU不再為相同的指令和數據重復訪問較慢的主內存，而是訪問更快的緩存。

緩存有時稱為CPU內存，通常運行在高性能的SRAM內存模塊上。CPU可以訪問更快的緩存內存來運行性能敏感的操作。高速緩存內存通常集成在主板下，或者在不同的晶元上，通過匯流排與CPU互連。

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Cache 技術所依賴的原理是」程序執行與數據訪問的局部性原理「，這種局部性表現在兩個方面：

時間局部性：如果程序中的某條指令一旦執行，不久以後該指令可能再次執行，如果某數據被訪問過，不久以後該數據可能再次被訪問。

空間局部性：一旦程序訪問了某個存儲單元，在不久之後，其附近的存儲單元也將被訪問，即程序在一段時間內所訪問的地址，可能集中在一定的范圍之內，這是因為指令或數據通常是順序存放的。

時間局部性是通過將近來使用的指令和數據保存到Cache中實現。空間局部性通常是使用較大的高速緩存，並將 預取機制 集成到高速緩存控制邏輯中來實現。

D. 緩存的工作原理

緩存的工作原理是當CPU要讀取一個數據時，首先從CPU緩存中查找，找到就立即讀取並送給CPU處理；沒有找到，就從速率相對較慢的內存中讀取並送給CPU處理，同時把這個數據所在的數據塊調入緩存中，可以使得以後對整塊數據的讀取都從緩存中進行，不必再調用內存。正是這樣的讀取機制使CPU讀取緩存的命中率非常高（大多數CPU可達90%左右），也就是說CPU下一次要讀取的數據90%都在CPU緩存中，只有大約10%需要從內存讀取。這大大節省了CPU直接讀取內存的時間，也使CPU讀取數據時基本無需等待。總的來說，CPU讀取數據的順序是先緩存後內存。
RAM(Random-Access Memory)和ROM(Read-Only Memory)相對的，RAM是掉電以後，其中的信息就消失那一種，ROM在掉電以後信息也不會消失那一種。RAM又分兩種，一種是靜態RAM，SRAM(Static RAM)；一種是動態RAM，DRAM(Dynamic RAM)。前者的存儲速率要比後者快得多，使用的內存一般都是動態RAM。為了增加系統的速率，把緩存擴大就行了，擴的越大，緩存的數據越多，系統就越快了，緩存通常都是靜態RAM，速率是非常的快， 但是靜態RAM集成度低（存儲相同的數據，靜態RAM的體積是動態RAM的6倍）， 價格高（同容量的靜態RAM是動態RAM的四倍）， 由此可見，擴大靜態RAM作為緩存是一個非常愚蠢的行為， 但是為了提高系統的性能和速率，必須要擴大緩存， 這樣就有了一個折中的方法，不擴大原來的靜態RAM緩存，而是增加一些高速動態RAM做為緩存， 這些高速動態RAM速率要比常規動態RAM快，但比原來的靜態RAM緩存慢， 把原來的靜態RAM緩存叫一級緩存，而把後來增加的動態RAM叫二級緩存。

E. 高速緩沖存儲器的工作原理

高速緩沖存儲器通常由高速存儲器、聯想存儲器、替換邏輯電路和相應的控制線路組成。在有高速緩沖存儲器的計算機系統中，中央處理器存取主存儲器的地址劃分為行號、列號和組內地址三個欄位。於是，主存儲器就在邏輯上劃分為若干行；每行劃分為若乾的存儲單元組；每組包含幾個或幾十個字。高速存儲器也相應地劃分為行和列的存儲單元組。二者的列數相同，組的大小也相同，但高速存儲器的行數卻比主存儲器的行數少得多。
聯想存儲器用於地址聯想，有與高速存儲器相同行數和列數的存儲單元。當主存儲器某一列某一行存儲單元組調入高速存儲器同一列某一空著的存儲單元組時，與聯想存儲器對應位置的存儲單元就記錄調入的存儲單元組在主存儲器中的行號。
當中央處理器存取主存儲器時，硬體首先自動對存取地址的列號欄位進行解碼，以便將聯想存儲器該列的全部行號與存取主存儲器地址的行號欄位進行比較：若有相同的，表明要存取的主存儲器單元已在高速存儲器中，稱為命中，硬體就將存取主存儲器的地址映射為高速存儲器的地址並執行存取操作；若都不相同，表明該單元不在高速存儲器中，稱為脫靶，硬體將執行存取主存儲器操作並自動將該單元所在的那一主存儲器單元組調入高速存儲器相同列中空著的存儲單元組中，同時將該組在主存儲器中的行號存入聯想存儲器對應位置的單元內。
當出現脫靶而高速存儲器對應列中沒有空的位置時，便淘汰該列中的某一組以騰出位置存放新調入的組，這稱為替換。確定替換的規則叫替換演算法，常用的替換演算法有:最近最少使用演算法（LRU）、先進先出法（FIFO）和隨機法（RAND）等。替換邏輯電路就是執行這個功能的。另外，當執行寫主存儲器操作時，為保持主存儲器和高速存儲器內容的一致性，對命中和脫靶須分別處理。
主-輔存存儲層次 由於計算機主存容量相對於程序員所需要的容量來說總是太小，程序與數據從輔存調入主存是由程序員自己安排的，程序員必須花費很大精力和時間把大程序預先分成塊，確定好這些程序塊在輔存中的位置和裝入主存的地址，而且還要預先安排好程序運行時各塊如何和何時調入調出，因此存在存儲空間的分配問題。操作系統的形成和發展使得程序員盡可能擺脫主、輔存之間的地址定位，同時形成了支持這些功能的「輔助硬體」，通過軟體、硬體的結合，把主存和輔存統一成了一個整體，如圖所示。這時，由主存、輔存形成了一個存儲層次，即存儲系統。從整體看，其速度接近於主存的速度，其容量則接近於輔存的容量，而每位的平均價格也接近於廉價的慢速的輔存平均價格。這種系統不斷發展和完善，就逐步形成了現在廣泛使用的虛擬存儲系統。在系統中，應用程序員可用機器指令地址碼對整個程序統一編址，如同程序員具有對應這個地址碼寬度的全部虛存空間一樣。該空間可以比主存實際空間大得多，以致可以存得下整個程序。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，其對應的存儲容量稱為虛存容量或虛存空間；而把實際主存的地址稱為物理地址、實（存）地址，其對應的存儲容量稱為主存容量、實存容量或實（主）存空間
主-輔存存儲層次 地址映象是指某一數據在內存中的地址與在緩沖中的地址，兩者之間的對應關系。下面介紹三種地址映象的方式。
1.全相聯方式
地址映象規則：主存的任意一塊可以映象到Cache中的任意一塊
(1) 主存與緩存分成相同大小的數據塊。
(2) 主存的某一數據塊可以裝入緩存的任意一塊空間中。如果Cache的塊數為Cb，主存的塊數為Mb，則映象關系共有Cb×Mb種。
目錄表存放在相關（聯）存儲器中，其中包括三部分：數據塊在主存的塊地址、存入緩存後的塊地址、及有效位（也稱裝入位）。由於是全相聯方式，因此，目錄表的容量應當與緩存的塊數相同。
優點：命中率比較高，Cache存儲空間利用率高。
缺點：訪問相關存儲器時，每次都要與全部內容比較，速度低，成本高，因而應用少。
2.直接相聯方式
地址映象規則： 主存儲器中一塊只能映象到Cache的一個特定的塊中。
(1) 主存與緩存分成相同大小的數據塊。
(2) 主存容量應是緩存容量的整數倍，將主存空間按緩存的容量分成區，主存中每一區的塊數與緩存的總塊數相等。
(3) 主存中某區的一塊存入緩存時只能存入緩存中塊號相同的位置。
主存中各區內相同塊號的數據塊都可以分別調入緩存中塊號相同的地址中，但同時只能有一個區的塊存入緩存。由於主、緩存塊號相同，因此，目錄登記時，只記錄調入塊的區號即可。主、緩存塊號及塊內地址兩個欄位完全相同。目錄表存放在高速小容量存儲器中，其中包括二部分：數據塊在主存的區號和有效位。目錄表的容量與緩存的塊數相同。
優點：地址映象方式簡單，數據訪問時，只需檢查區號是否相等即可，因而可以得到比較快的訪問速度，硬體設備簡單。
缺點：替換操作頻繁，命中率比較低。
3.組相聯映象方式
組相聯的映象規則：
(1) 主存和Cache按同樣大小劃分成塊。
(2) 主存和Cache按同樣大小劃分成組。
(3) 主存容量是緩存容量的整數倍，將主存空間按緩沖區的大小分成區，主存中每一區的組數與緩存的組數相同。
(4) 當主存的數據調入緩存時，主存與緩存的組號應相等，也就是各區中的某一塊只能存入緩存的同組號的空間內，但組內各塊地址之間則可以任意存放，即從主存的組到Cache的組之間採用直接映象方式；在兩個對應的組內部採用全相聯映象方式。
主存地址與緩存地址的轉換有兩部分，組地址是按直接映象方式，按地址進行訪問，而塊地址是採用全相聯方式，按內容訪問。組相聯的地址轉換部件也是採用相關存儲器實現。
優點：塊的沖突概率比較低，塊的利用率大幅度提高，塊失效率明顯降低。
缺點：實現難度和造價要比直接映象方式高。 1. 根據程序局部性規律可知：程序在運行中，總是頻繁地使用那些最近被使用過的指令和數據。這就提供了替換策略的理論依據。綜合命中率、實現的難易及速度的快慢各種因素，替換策略可有隨機法、先進先出法、最近最少使用法等。
（1）.隨機法（RAND法）
隨機法是隨機地確定替換的存儲塊。設置一個隨機數產生器，依據所產生的隨機數，確定替換塊。這種方法簡單、易於實現，但命中率比較低。
（2）.先進先出法（FIFO法）
先進先出法是選擇那個最先調入的那個塊進行替換。當最先調入並被多次命中的塊，很可能被優先替換，因而不符合局部性規律。這種方法的命中率比隨機法好些，但還不滿足要求。先進先出方法易於實現，
（3）.最近最少使用法（LRU法）
LRU法是依據各塊使用的情況， 總是選擇那個最近最少使用的塊被替換。這種方法比較好地反映了程序局部性規律。 實現LRU策略的方法有多種。
2 在多體並行存儲系統中，由於 I/O 設備向主存請求的級別高於 CPU 訪存，這就出現了 CPU 等待 I/O 設備訪存的現象，致使 CPU 空等一段時間，甚至可能等待幾個主存周期，從而降低了 CPU 的工作效率。為了避免 CPU 與 I/O 設備爭搶訪存，可在 CPU 與主存之間加一級緩存，這樣，主存可將 CPU 要取的信息提前送至緩存，一旦主存在與 I/O 設備交換時， CPU 可直接從緩存中讀取所需信息，不必空等而影響效率。
3 目前提出的演算法可以分為以下三類（第一類是重點要掌握的）：
（1）傳統替換演算法及其直接演化，其代表演算法有 ：①LRU（ Least Recently Used）演算法：將最近最少使用的內容替換出Cache ；②LFU（ Lease Frequently Used）演算法：將訪問次數最少的內容替換出Cache；③如果Cache中所有內容都是同一天被緩存的，則將最大的文檔替換出Cache，否則按LRU演算法進行替換 。④FIFO( First In First Out)：遵循先入先出原則，若當前Cache被填滿，則替換最早進入Cache的那個。
（2）基於緩存內容關鍵特徵的替換演算法，其代表演算法有：①Size替換演算法：將最大的內容替換出Cache②LRU— MIN替換演算法：該演算法力圖使被替換的文檔個數最少。設待緩存文檔的大小為S，對Cache中緩存的大小至少是S的文檔，根據LRU演算法進行替換；如果沒有大小至少為S的對象，則從大小至少為S/2的文檔中按照LRU演算法進行替換；③LRU—Threshold替換演算法：和LRU演算法一致，只是大小超過一定閾值的文檔不能被緩存；④Lowest Lacency First替換演算法：將訪問延遲最小的文檔替換出Cache。
（3）基於代價的替換演算法，該類演算法使用一個代價函數對Cache中的對象進行評估，最後根據代價值的大小決定替換對象。其代表演算法有：①Hybrid演算法：演算法對Cache中的每一個對象賦予一個效用函數，將效用最小的對象替換出Cache；②Lowest Relative Value演算法：將效用值最低的對象替換出Cache；③Least Normalized Cost Replacement（LCNR）演算法：該演算法使用一個關於文檔訪問頻次、傳輸時間和大小的推理函數來確定替換文檔；④Bolot等人 提出了一種基於文檔傳輸時間代價、大小、和上次訪問時間的權重推理函數來確定文檔替換；⑤Size—Adjust LRU（SLRU）演算法：對緩存的對象按代價與大小的比率進行排序，並選取比率最小的對象進行替換。

F. 高速緩存的主要作用

高速緩存是處理核心(包括CPU與GPU)或者外部儲存設備與主內存區間的一個緩沖儲存區,所以稱為緩存
在CPU,GPU等處理核心上,核心計算的臨時中間數據和大量需求的數據都優先儲存在緩存里,舉個例子:CPU計算一個1+1+1的值時,第一次計算前兩個數的和的結果2就儲存在CPU緩存里,再把結果拿來進行第二次計算,當然,現在的處理器算這個數據不用這么做,只是面對大量數據計算的時候需要這么做
在更大量的計算里,處理器會按數據的優先順序從低到高分別儲存在一級,二級,三級緩存中,再沒有空間就會放進內存中,處理器讀取數據也是從一級緩存開始,直到內存中,如果內存還沒有數據就去硬碟光碟等外部儲存設備找,一級緩存速度最快,二級,三級次之
在外部儲存設備中,比如硬碟和光碟機的緩存主要是提高傳輸速率,增加硬體壽命,你可以從硬碟一個分區復制一堆小文件到另一個分區,你可以發現,復制相同容量的文件速度是大文件快於小文件,因為每個小文件都要進行文件的建立,數據寫入與結束寫入等過程會耗費很多時間
在處理器或者內存向硬碟或者光碟機(刻錄機)寫入的數據都是小文件或者數據而且並不連續,他們都先放在硬碟緩存里,到整個文件結束或者到緩存區容量極限時再一次性寫入硬碟,這樣可以減少硬碟的讀寫次數,並且以此寫入的速度更快~

G. 高速跟蹤緩存是什麼

、高速緩存的概念和原理

1、高速緩存出現的原因
高速緩存（Cache）的出現主要是為了解決CPU運算速度與內存讀寫速度不匹配的矛盾，因為CPU運算速度要比內存讀寫速度快很多，這樣會使CPU花費很長時間等待數據到來或把數據寫入內存。為了減少這種情況的發生，人們就想到了使用Cache，它採用一種讀寫速度要比系統內存快很多的特殊靜態內存。系統工作時，將運行時要經常存取的一些數據從系統內存讀取到Cache中，而CPU會首先到Cache中去讀取或寫入數據，如果Cache中沒有所需數據（或Cache已滿，無法再寫入），則再對系統內存進行讀寫，另外Cache在空閑時也會與內存交換數據。其實質就是是在慢速DRAM和快速CPU之間插入一速度較快、容量較小的SRAM，起到緩沖作用，使CPU既可以以較快速度存取SRAM中的數據，提高系統整體性能，又不使系統成本上升過高。

2、高速緩存的工作原理
Cache的工作原理是基於計算機程序訪問的局部性。對大量典型程序運行情況的分析結果表明，在一個較短的時間間隔內，由程序產生的地址往往集中在存儲器邏輯地址空間的很小范圍內。對這些地址的訪問具有時間上集中分布的傾向。數據分布以及工作單元的選擇都可以使存儲器地址相對集中。這種對局部范圍的存儲器地址頻繁訪問，而對此范圍以外的地址則訪問甚少的現象，就稱為程序訪問的局部性。根據程序的局部性原理，就為Cache的存在提供了理論依據，系統正是依據此原理，不斷地將與當前指令集相關聯的一個不太大的後繼指令集從內存讀到Cache，然後再與CPU高速傳送，從而達到速度匹配。

3、高速緩存的分級結構

CPU高速緩存是分級構造的，一般由L1和L2兩極構成，通常L1 Cache的速度最快，與CPU核心的距離也最近，但容量較小，而L2 Cache 速度稍慢，但容量較大。Cache採用分級結構的主要理由在於：對於一個典型的一級緩存系統的80％的內存申請都發生在CPU內部，只有20％的內存申請是與外部內存打交道。而這20％的外部內存申請中的80％又與二級緩存打交道。因此，採用分級結構將更加有利於效能的提升和成本的合理分配。

這種分層的高速緩存布局有助於彌合處理器與系統內存速度之間不斷加大的差距，處理器速度每年大約提高50％，而DRAM存取速度每年僅提高5％,由於性能不匹配程度的加劇，CPU將增加第三級，甚至第四級高速緩存。

4、高速緩存的構成
目前Cache基本上都是採用SRAM存儲器，SRAM是英文Static RAM的縮寫，它是一種具有靜志存取功能的內存，不需要刷新電路即能保存它內部存儲的數據。不像DRAM內存那樣需要刷新電路，每隔一段時間，固定要對DRAM刷新充電一次，否則內部的數據即會消失，因此SRAM具有較高的性能，但是SRAM也有它的缺點，即它的集成度較低，相同容量的DRAM內存可以設計為較小的體積，但是SRAM卻需要很大的體積，這也是目前不能將Cache容量做得太大的重要原因。它的特點歸納如下：優點，節能、速度快，不必配合內存刷新電路，可提高整體的工作效率。 缺點，集成度低，相同的容量體積較大，而且價格較高，少量用於關鍵性系統以提高效率。

二、CPU 高速緩存的發展歷史
高速緩存最初應用在CPU領域，目前在CPU領域的應用也最為廣泛和深入。下面就簡單談談高速緩存隨CPU的發展而不斷變化的歷史過程。

1、80486開始出現了內部Cache
PC在誕生的初期並不存在Cache的概念，由於CPU主頻很低，DRAM的存取時間甚至快於CPU存取時間，因此無需Cache。 80386時代開始出現了外部Cache。在80486時代CPU內部才正式出現了Cache。實際上80486就是由更高主頻的80386 加80387數字協處理器以及8kB 內部Cache構成。80486晶元內由8kB的Cache來存放指令和數據。同時，80486也可以使用處理器外部的第二級Cache,用以改善系統性能並降低80486要求的匯流排帶寬。

2、Peutium時代Cache技術發展迅速
Peutium不僅分離L1 Cache和L2 Cache ，而且由於Pentium處理器採用了超標量結構雙路執行的流水線，有2條並行整數流水線，處理器也需要對命令和數據進進雙倍的訪問。為使這些訪問不互相干涉，Intel把在486上共用的內部Cache，分成2個彼此獨立的8kB代碼Cache和8kB數據Cache，這兩個Cache可以同時被訪問。這種雙路高速緩存結構減少了爭用Cache所造成的沖突，提高了處理器效能。Pentium的Cache還採用了回寫寫入方式，這同486的貫穿寫入方式相比，可以增加Cache的命中率。此外，還採用了一種稱為MESI高速緩存一致性協議，為確保多處理器環境下的數據一致性提供了保證。在Pentium MMX中更是增大了L1的容量，並改進了相關的演算法。

3、Pentium Pro出現內嵌式L2 Cache

為使Pentium Pro的性能超過Pentium,必需使用創新的設計方法，Pentium Pro使用了內嵌式L2 Cache，大小為512kB。此時的L2已經用線路直接連到CPU上，好處就是減少了對L1 Cache的需求。L2 Cache與CPU同步運行。當L1 Cache不命中時，立刻訪問L2 Cache，不產生附加延遲。為進一步減少因要訪問的信息不在高速緩沖中時所帶來的性能損失，Pentium Pro的L1和L2都設計成非鎖定型。即當哪個Cache中沒有CPU所需的信息時，它不妨礙後面訪問Cache的處理過程。但限於當時的CPU製造工藝，Pentium Pro的內嵌式L2 Cache 良品率太低，生產成本過高， Pentium Pro成為一款壽命短暫的過渡產品。

4、PentiumⅡ的雙重獨立匯流排
PentiumⅡ是Pentium Pro的改進型，具有MMX指令，使用動態執行技術，採用雙獨立匯流排結構。PentiumⅡ同樣有2級Cache，L1為32kB(指令和數據Cache各16kB)是Pentium Pro的一倍。L2為512kB。
Pentium Ⅱ與Pentium Pro在L2 Cache 的不同主要在於L2 Cache已不在內嵌晶元上，而是與CPU通過專用64位高速緩存匯流排相聯，與其它元器件共同被組裝在同一基板上，即「單邊接觸盒」上。雙獨立匯流排結構就是：L2高速緩存匯流排和處理器至主內存的系統匯流排， PentiumⅡ處理器可以同時使用這兩條匯流排，與單一匯流排結構的處理器相比，該處理器可以進出兩倍多的數據。

5、PentiumⅢ L2 Cache進一步改進
PentiumⅢ也是基於Pentium Pro結構為核心，在原有MMX多媒體指令的基礎上，又增了70多條多媒體指令。它使用動態執行技術，採用雙獨立匯流排結構。 PentiumⅢ具有32kB非鎖定L1 Cache和512kB非鎖定L2 Cache。L2可擴充到1～2MB，具有更合理的內存管理，可以有效地對大於L2緩存的數據塊進行處理，使CPU、Cache和主存存取更趨合理，提高了系統整體性能。在執行大數據流量程序時，高效率的高速緩存管理使PⅢ避免了對L2 Cache的不必要的存取。由於消除了緩沖失敗，多媒體和其它對時間敏感的操作性能更高了。對於可緩存的內容，PⅢ通過預先讀取期望的數據到高速緩存里來提高速度，這一特色提高了高速緩存的命中率，減少了存取時間。

三、其他配件中的高速緩存
Cache從本質上說是一種高速設備和低速設備的速度匹配技術，不僅用在提高CPU對內存的讀寫速度上，而且在電腦的其它配件中也得到了廣泛應用。在較慢速的其它外圍設備和內存的數據交換中，甚至在網路通訊中,都需要使用Cache技術。推而廣之，凡是在傳輸速度有較大差異的設備之間，都可以利用Cache的速度匹配技術。

1、主板高速緩存
由於在Pentium II推出之前，CPU只有內部集成的L1 Cache（一級高速緩存），L2Cache（二級高速緩存）都被放置在主板上。Pentium時代的主板上大都用速度較快，容量較大的同步PB SRAM （Pipeline Burst SRAM 管線突發式靜態內存），一般為256KB或512KB。當時在主板上還存在Tag SRAM的概念。

Tag SRAM，即標記的靜態隨機存取存儲器，它是在高速緩存系統中配合高速緩存的附加SRAM，它也是高速緩存，只是用在高速緩存電路中記錄地址數據，當CPU要讀取主存某一個地址中的數據時，會先到高速緩存電路中去尋找，對高速緩存系統的Tag SRAM所記錄的地址數據進行搜尋和對比，當高速緩存內也存有此地址的數據時，高速緩存匯流排的仲裁控制電路即將數據讀取傳回CPU，若對比Tag SRAM記錄的地址數據而找不到此數據的地址時，CPU就會到主存讀取數據。因此Tag SRAM與高速緩存的命中率有很大關系。由於現在CPU內部都集成了L2 Cache，故PII以後，主板上都不再集成Cache了。

2、CPU高速緩存的應用
關於CPU高速緩存的發展歷史等相關情況，前面已經談及。這里主要介紹一下目前主流CPU使用高速緩存的情況。

象最新的Northwood P4處理器，不僅採用了0.13 微米工藝生產，其體系結構也有所改變，提高了運算效率（指令周期）。 並且將L2 CACHE的容量由老P4的256K 增加為512K。在性能上有10%左右的提升。

Tualatin 賽揚的二級緩存採用了全速256KB（8路）， Pentium III同樣大小的二級緩存，這對於提高CPU的性能有很大的幫助。Tualatin核心賽揚的性能非常不錯，在很大程度上就是得益於256KB的全速緩存。這也充分反映出高速緩存對電腦配件性能的影響。

AMD 的Morgan實際上和Palomino核心的毒龍規格相同，只是CPU內部L2 Cache有所不同。最引人注意的一點是改進了Cache演算法。在Morgan中包含了一個硬體化的數據預讀取規則。這個功能就是在CPU對數據進行了處理之後，預讀取設備可以猜測哪些數據是CPU所需要的。如果這些數據並沒有在Cache中，那麼這個預讀取設備就會自動到主內存中去重新獲取這個數據；而如果這個數據已經存在於Cache之中的話，那麼CPU就會更加快速地得到這個數據。

Athlon XP無疑是AMD今年最成功的產品，它採用了類似於Pentium 4的硬體預讀技術--執行跟蹤高速緩存，預先將處理器可能需要的數據從主內存讀到緩存中，這一過程能明顯提高系統匯流排和內存帶寬的利用率，進而提升系統性能。

主要用於伺服器的Merced 對Cache的要求更高了。為此，lntel在晶元內開發新的Cache，並增加L1 Cache的容量，來平衡CPU和DRAM間的速度。為此，在Merced的片上最接近執行單元旁再設另一處Cache，稱為L0緩存，是指令/數據分離型。由於L0Cache在物理位置上比L1離執行單元更近，布線距離的縮短，使它與執行單元間的數據交換速度比L1還快，可以進一步提高工作主頻。 同時，還要在晶元內部配置超過1MB的大容量L1 Cache。晶元內部Cache比外部Cache更易於提升與執行單元間的數據傳送速度。

3、硬碟高速緩存

在PC的磁碟系統中，高速緩存也得到了廣泛應用。為提高內存對硬碟的讀寫速度，就要建立磁碟高速緩存，不過硬碟高速緩存不必使用昂貴的SRAM，使用普通的DRAM即可，因為DRAM內存的存取速度對CPU來說較慢，但對磁碟的存取速度卻是很快的。這是因為磁碟存儲系統包含有磁頭的機械運動，而機械運動無法跟傳送電信號的電子速度相比。以前硬碟內部集成的高速緩存只有512K左右，而現在硬碟普遍將高速緩存的容量提升到2M以上，個別產品甚至達到了8M。由於硬碟Cache無需使用高速的SRAM，除了內部集成的SDRAM，我們還可以在系統主內存中劃出一個區域，作為專用的磁碟緩沖區，採用一定的數據結構，即可實現磁碟存取的二級Cache技術。硬碟高速緩存的工作過程及原理與CPU高速緩存類似，也是把即將訪問的數據整塊地拷貝到高速緩存區中，然後內存再到高速緩存中去逐個讀取數據。由於數據在RAM空間內部傳送要比在RAM與磁碟間傳送快得多，從而系統由此提高了存取速度。

下面給大家介紹一下西數WD1000BB-SE 8MB緩存硬碟，由於內存的讀寫速度大大高於硬碟的讀寫速度，因此大容量的緩存可以有效提高存儲器的數據傳輸速度。但目前市面所售的大部分硬碟都只帶512K--2MB的緩存。西數前段時間推出的7200轉，100G硬碟特別版WD1000BB-SE，其單碟容量為33G，介面類型為ATA100，平均尋道時間8.9毫秒，這方面參數與其他硬碟相比並無特別，不過WD1000BB-SE將硬碟的緩存容量從2MB直接提升到了8MB。引起了業界的普遍關注。經過多方面評測，由於緩存容量的加大，這款IDE介面硬碟的實際性能已經接近或超越了不少10000轉SCSI介面硬碟，成為IDE硬碟中的速度王者。這也充分反映出高速緩存對電腦配件性能的影響。

4、刻錄機的緩存
緩存容量的大小是衡量光碟刻錄機性能的重要技術指標之一，刻錄時數據必須先寫入緩存，刻錄軟體再從緩存區調用要刻錄的數據，在刻錄的同時後續的數據再寫入緩存中，以保持要寫入數據良好的組織和連續傳輸。如果後續數據沒有及時寫入緩沖區，傳輸的中斷則將導致刻錄失敗。因而緩沖的容量越大，刻錄的成功率就越高。市場上的光碟刻錄機的緩存容量一般在1MB～4MB之間，目前最大的有8M緩存的產品。尤其對於IDE介面的刻錄機，緩存容量很重要。增加高速緩存既有利於刻錄機的穩定工作，同時也有利於降低CPU的佔用率。 總之緩存大小對刻錄機是非常的重要的，緩存越大刻錄時就越穩定。目前市場上有多款刻錄機都帶有8M緩存，配合其他防刻死技術，有效防止了出現「緩存欠載」導致刻錄失敗的問題。

在普通光碟機中也內置有高速緩存，當然其作用沒有刻錄機中的重要，主要是為了提高讀盤效率，降低CPU佔用率，因此容量也比較小，一般只有512K。

5、其他設備的高速緩存
在PC其他配件中也都存在高速緩存的應用。比如在顯示系統中，由於3D應用的迅猛發展，現在顯卡上的顯示內存普遍達到了32M以上，甚至多達128M，因此也廣泛使用著高速緩存技術，如前台緩存、後台緩存、深度緩存和紋理緩存等。

現在還有所謂CDRAM(Cache DRAM) 帶高速緩存的內存，就是在內存晶元上集成了特殊構造的SRAM。發展好的話過幾年有可能成為主流內存。除此之外，甚至在音效卡、RAID卡、SCSI卡中也帶有高速緩存，

四、高速緩存的調整及應用

1、BIOS中與高速緩存有關的選項

1）Video ROM的Shadow
「影子」內存（ShadowRAM，或稱ROMShadow）是為了提高系統效率而採用的一種專門Cache技術，它把系統主板上的系統ROMBIOS和適配器卡上的視頻ROMBIOS等拷貝到系統RAM內存中去運行，其地址仍使用它們在上位內存中佔用的原地址。更確切地說，是從擴展內存中拿出一部分物理存儲空間，而賦以ROM的原地址，由這部分擴展RAM代替原ROM。由於ROM採用靜態CMOS電路，其存取速度為200ns左右，而系統存儲器RAM採用動態CMOS電路，其存取速度進幾十ns，速度快好幾倍，將存放在ROM中的BIOS代碼（基本輸入輸出例行程序，它們在系統運行期間非常頻繁的被調用）拷貝到系統RAM中去，就可提高系統運行和顯示的速度和效率。

2）CPU Internal Cache
CPU內部快速緩存是否打開，一般設置為Enable。Enternal Cache：是否使用主板緩存，一般設置為Enable。CPU L2 Cache Ecc Checking：CPU的L2 緩存Ecc 檢測，可設置為Disable。

從字面上看，「CPU Internal Cache」和「External Cache」分別指CPU內部和外部的高速緩存，但更准確的說法應該是一級緩存和二級緩存。Socket/Super 7架構的CPU內部只有一級緩存，二級緩存放在了主板上，「Internal」和「External」的說法就源於此，而對PⅡ、PⅢ和K6-Ⅲ等CPU來說，二級緩存也被集成到CPU內部，內外部的說法就不太確切了，因此一些Slot 1主板對此進行了修改，改稱為「CPU Level 1 Cache」和「CPU Level 2 Cache」。除非打開後系統會出現死機等情況，否則這兩個選項都應設為Enabled，以加快CPU讀取內存的速度。

3）二級緩存的潛伏期

在BIOS中，我們還可以調節二級緩存的潛伏期，其中Level 2 Cache Latency（二級緩存潛伏期）有16個值可選（1~15），從理論上來說，數值越小延遲時間越短，性能也越高。如果把數值設得過小，二級緩存有可能停止工作，不僅系統性能會急速下跌，還會發生死機現象。L2 Cache對內存帶寬有重大影響，即使CPU頻率再高，其它設備跟不上亦是無用，增加緩存潛伏期可以讓機器更穩定，避免上述情況。

4)System BIOS Cacheable

「System BIOS Cacheable」、「Video BIOS Cacheable」和「Video RAM Cacheable」分別指定是否可以使用二級高速緩存來緩存系統BIOS、顯卡BIOS和顯示內存，緩存之後，BIOS調用的執行速度以及訪問顯示內存的速度都會加快，因此最好都設成Enabled。不過，當顯示內存可以被緩存時，少數顯卡可能會出現兼容性問題，此時可考慮將第三項設為Disabled。

2、調整高速緩存優化系統
如果你的應用程序需頻繁訪問硬碟，可在擴充或擴展內存中建立「直接寫盤(write－through)」型磁碟高速緩存。用戶可在autoexec.bat文件中加入命令行：c:\dos\smartdrv.exe，則此驅動程序會自動裝入內存高端，其磁碟緩沖區預設值為256KB，你可以改變這個值的大小。一般設置為物理內存的1/8左右比較合適。SMARTDRV.EXE一個外部設備驅動程序。用此程序可啟動或設置磁碟高速緩沖存儲器。與Cache不同，Cache是充分發揮了CPU的速度，而SMARTDRV是加快了磁碟的讀寫速度。在實際應用中，SMARTDRV.EXT高速緩存驅動程序將記住每次應用程序使用磁碟的磁碟扇區數據，不用再訪問磁碟驅動器，而是訪問內存中已包含這些數據的區域。

總的來說，PC中的Cache主要是為了解決高速設備和低速設備間速度匹配的問題，是提高系統性能，降低系統成本而採用的一項技術。隨著電腦技術的飛速發展， Cache已成為PC中大多數配件不可缺少的組成部分，是衡量系統性能優劣的一項重要指標。從系統的性價比考慮，Cache的配備將在很長一段時間內仍然是PC中重要的技術之一。

H. 何謂』高速緩存』高速緩存=RAM嗎詳見問題補充說明

1，高速緩存（Cache），全稱「高速緩沖存儲器」。

2，例如：當CPU處理數據時，它會先到高速緩存中去尋找，如果數據因之前的操作已經讀取而被暫存其中，就不需要再從主內存中讀取數據——由於CPU的運行速度一般比主內存快，因此若要經常存取主內存的話，就必須等待數個CPU周期從而造成浪費。

3，提供「高速緩存」的目的是為了讓數據存取的速度適應CPU的處理速度，其基於的原理是內存中「程序執行與數據訪問的局域性行為」。

4，現在Cache的概念已經被擴充了：不僅在CPU和主內存之間有Cache，而且在內存和硬碟之間也有Cache（磁碟高速緩存），乃至在硬碟與網路之間也有某種意義上的「Cache」（Internet臨時文件夾）。

5，凡是位於速度相差較大的兩種硬體之間的，用於協調兩者數據傳輸速度差異的結構，均可稱之為Cache。

6，所以硬碟和內存之間的Cache就叫做磁碟高速緩存。它是在內存中開辟一塊位置，來臨時存取硬碟中的數據。這項技術可使計算機讀寫時的存儲系統平均數據傳輸率提高5－10倍，適應了當前激增的海量數據存儲需求。

7，在DOS時代，我們用：
smartdrv 內存容量
命令來載入硬碟高速緩存。自從有了Windows後，我們就不需要載入硬碟高速緩存了，因為Windows本身有自己的高速緩存管理單元，如果強行使用smartdrv命令載入，反而會影響Windows的性能。

8，我們在用硬碟安裝Win2000/XP時候，系統會提示載入高速緩存，這是因為在安裝的初期還是DOS操作，所以為了達到讀存的速度，安裝程序要求載入高速緩存。

I. 什麼是高速緩存技術高速緩存的作用是什麼

高速緩存英文是cache。一種特殊的存儲器子系統，其中復制了頻繁使用的數據，以利於CPU快速訪問。存儲器的高速緩沖存儲器存儲了頻繁訪問的 RAM 位置的內容及這些數據項的存儲地址。當處理器引用存儲器中的某地址時，高速緩沖存儲器便檢查是否存有該地址。如果存有該地址，則將數據返回處理器；如果沒有保存該地址，則進行常規的存儲器訪問。因為高速緩沖存儲器總是比主RAM 存儲器速度快，所以當 RAM 的訪問速度低於微處理器的速度時，常使用高速緩沖存儲器。 高速緩存的作用: 在CPU開始執行任何指令之前，都會首先從內存中取得該條指令以及其它一些相關數據和信息。為了加快CPU的運行速度，幾乎所有的晶元都採用兩種不同類型的內部存儲器，即高速緩存。緩存被用來臨時存放一些經常被使用的程序片段或數據。 一級高速緩存是性能最好緩存類型，與解釋指令和執行算術運算的處理單元一到構成CPU的核心。CPU可以在全速運行的狀態下讀取存放在一級高速緩存中的指令或數據。Intel的處理器產品一般都會具有32K的一級緩存，而象AMD或Via這種競爭對手的產品則會使用更多的一級緩存。 如果在一級緩存中沒有找到所需要的指令或數據，處理器會查看容量更大的二級緩存。二級緩存既可以被集成到CPU晶元內部，也可以作為外部緩存。Pentium II處理器具有512K的二級緩存，工作速度相當於CPU速度的一半。Celeron以及更新的Pentium III晶元則分別具有128K和256K的在片二級緩存，能夠在處理器全速下運行。 對於存放在速度較慢的二級緩存中的指令或數據，處理器往往需要等待2到4個時鍾周期。為了充分利用計算資源，CPU可以在這段時間內查看和執行其它正在等候處理，但不需要使用額外數據的指令，從而提高整個系統的速度，把空閑時間降低到最低程度。

J. 求解：什麼是高速緩存以及緩沖的原理是什麼

——》1，高速緩存（Cache），全稱「高速緩沖存儲器」。

——》2，例如：當CPU處理數據時，它會先到高速緩存中去尋找，如果數據因之前的操作已經讀取而被暫存其中，就不需要再從主內存中讀取數據——由於CPU的運行速度一般比主內存快，因此若要經常存取主內存的話，就必須等待數個CPU周期從而造成浪費。

——》3，提供「高速緩存」的目的是為了讓數據存取的速度適應CPU的處理速度，其基於的原理是內存中「程序執行與數據訪問的局域性行為」。

——》4，現在Cache的概念已經被擴充了：不僅在CPU和主內存之間有Cache，而且在內存和硬碟之間也有Cache（磁碟高速緩存），乃至在硬碟與網路之間也有某種意義上的「Cache」（Internet臨時文件夾）。

——》5，凡是位於速度相差較大的兩種硬體之間的，用於協調兩者數據傳輸速度差異的結構，均可稱之為Cache。

——》6，所以硬碟和內存之間的Cache就叫做磁碟高速緩存。它是在內存中開辟一塊位置，來臨時存取硬碟中的數據。這項技術可使計算機讀寫時的存儲系統平均數據傳輸率提高5－10倍，適應了當前激增的海量數據存儲需求。

——》7，在DOS時代，我們用：
smartdrv 內存容量
命令來載入硬碟高速緩存。自從有了Windows後，我們就不需要載入硬碟高速緩存了，因為Windows本身有自己的高速緩存管理單元，如果強行使用smartdrv命令載入，反而會影響Windows的性能。

——》8，我們在用硬碟安裝Win2000/XP時候，系統會提示載入高速緩存，這是因為在安裝的初期還是DOS操作，所以為了達到讀存的速度，安裝程序要求載入高速緩存。