七、高速緩沖存儲器Cache
7.1、解決CPU和主存之間的速度差異，避免CPU“空等”現象。
局部性原理： 時間局部性、空間局部性
7.2、Cache的映像方法
（1）直接映像。直接映像方式的優點是位址變換很簡單，缺點是不靈活，塊沖突率高。
（2）全相聯映像。位置不受限制，十分靈活。其主要缺點是無法從主存塊号中直接獲得Cache的塊号，變換比較複雜，速度比較慢。
（3）組相聯映像。距離CPU較近位置可以采用直接映像或者組相聯映像；距離CPU較遠的可以采用全相聯映像。
7.3、Cache的性能：CPU在通路記憶體時，首先判斷所要通路的内容是否在Cache中，如果在，就稱為“命中”，此時CPU直接從Cache中調用該内容；否則，就稱為 “不命中”，CPU隻好去記憶體中調用所需的子程式或指令了。CPU不但可以直接從Cache中讀出内容，也可以直接往其中寫入内容。由于Cache的存取速率相當快，使得CPU的使用率大大提高，進而使整個系統的性能得以提升。
如果以Hc為代表對Cache的通路命中率，tc為Cache的存取時間，tm為主存的通路時間，則Cache的平均通路時間ta為 : ta=Hc*tc+(1-Hc)*tm
7.4、寫政策：因為Cache的内容是部分主存内容的副本，應該與主存内容保持一緻。而CPU對cache的寫入更改了Cache内容，如何與主存内容保持一緻就有幾種寫操作工作方式可供選擇，統稱為寫政策。
（1） 寫回法（write–back）：當CPU對Cache寫命中時，隻修改cache的内容不立即寫入主存，隻當此行被換出時才寫回主存。這種政策使Cache在CPU－主存之間，不僅在讀方向而且在寫方向上都起到高速緩存作用。
（2）寫直達法（write–through）：又稱全寫法，寫透。是當Cache寫命中時，cache與主存同時發生寫修改。
（3）标記法：資料進入Cache後，有效位置1，當cpu對該資料修改時，資料隻寫入主存并将該有效位置0。要從Cache中讀取資料時要測試其有效位，若為1則直接從Cache中取數，否則從主存中取數。
7.5、Cache替換算法
（1）随機算法。這是最簡單的替換算法。随機法完全不管Cache塊過去、現在及将來的使用情況，簡單地根據一個随機數，選擇一塊替換掉。
（2）先進先出（First In and First Out，FIFO）算法。按調入Cache的先後決定淘汰的順序，即在需要更新時，将最先進入Cache的塊作為被替換的塊。這種方法要求為每塊做一記錄，記下它們進入Cache的先後次序。這種方法容易實作，而且系統開銷小。其缺點是可能會把一些需要經常使用的程式塊（如循環程式）替換掉。
（3）近期最少使用（Least Recently Used，LRU）算法。LRU算法是把CPU近期最少使用的塊作為被替換的塊。這種替換方法需要随時記錄Cache中各塊的使用情況，以便确定哪個塊是近期最少使用的塊。LRU算法相對合理，但實作起來比較複雜，系統開銷較大。通常需要對每一塊設定一個稱為“年齡計數器”的硬體或軟體計數器，用以記錄其被使用的情況。
（4）最不經常使用頁置換(Least Frequently Used，LFU)算法。要求在頁置換時置換引用計數最小的頁，因為經常使用的頁應該有一個較大的引用次數。但是有些頁在開始時使用次數很多,但以後就不再使用，這類頁将會長時間留在記憶體中，是以可以将引用計數寄存器定時右移一位，形成指數衰減的平均使用次數。LFU的複雜度以及計數器規模都比LRU大，LRU隻關注近期通路情況，而LFU會統計累計通路次數作為淘汰的依據。該算法計數器位數多，實作困難。
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