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知识路径： > 嵌入式系统硬件基础知识 > 嵌入式系统的存储体系 > 高速缓存（Cache） >
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被考次数：8次
被考频率：中频率
总体答错率：47%
知识难度系数： 
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考试要求：掌握
相关知识点：22个
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Cache是一种比常见内存（RAM）更快的存储器，在存储位置上位于处理器和外部内存之间，一般称之为高速缓冲存储器。众所周知，程序由代码和数据组成，在一般情况下由于容量限制代码和数据需要存放在内存中，当处理器要执行程序时就需要不断地访问内存，出于技术和成本问题，内存的读取速度通常比CPU的速度慢很多，因此这会严重制约系统的实际性能。
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在实际程序运行过程中，处理器对内存的访问并不是完全随机的，在某个时间段内，CPU总是访问当前内存地址的相邻地址，也就是说程序对内存的访问符合局部性原理。基于程序局部性原理，通过在CPU和外部存储设备之间设计高速缓冲器（Cache），让其进行外部存储设备的局部存储，从而可以提升CPU对外部存储设备的访问效率。Cache的主要功能是对外部存储设备（一般指内存）的缓冲，在一般的Cache设计中，Cache把整个内存分成大小相同的块，块的大小因不同Cache芯片的实现而不同。因此，Cache内部的地址是由块号和块内偏移组成。下图给出了Cache的逻辑工作示意图，其实现过程如下。
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（2）Cache将CPU访问内存的地址分解为块号和块内偏移。
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（3）利用（2）中分解的块号查找Cache内部的Cache块。
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（4）如果用（2）中的块号找到一个Cache块，即表示命中，然后用（2）中分解的块内偏移去索引该块中的数据：如果当前是读内存，即可立即将Cache中缓存的数据返回给CPU；如果是写操作，根据Cache的类型不同，动作会不同。
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（5）如果（3）中没有找到对应的Cache块，即表示未命中。
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（6）如果Cache未命中，Cache首先查找Cache内部有没有空闲块。
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（7）如果（6）中Cache找到一个空闲块，就在该块中装入CPU访问内存地址对应的内存块，同时，如果是读内存操作就把这个地址对应的数据返回给CPU。如果是写内存操作，根据Cache的类型不同，动作也会不同。
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（8）如果在（6）过程中没有找到一个空闲块，需要使用Cache管理中的块替换策略，找出Cache中可替换出去的块。如果CPU是读内存操作，那么根据替换块的块号和状态，Cache会决定是否把这个块回写到内存中（或者直接废除），最后在该替换出去的块中装入CPU访问内存地址对应的内存块，同时把这个地址对应的数据返回给CPU。如果CPU是写内存操作，根据Cache的类型不同，Cache的动作也会不同。
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根据程序访问的局部性原理可知，CPU在某一特定的时间段内会对Cache保持很高的命中率。因此，在该时间段内，CPU就可以直接从Cache中获取指令或数据，从而提升系统的性能。根据Cache的工作机制，可以把Cache分为多种类型，典型的包括回写式Cache和写通式Cache。
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