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嵌入式系统设计师学习笔记：存储器的层次架构及Cache详解

存储器被组织成金字塔形的层次结构，自上而下依次变得更慢、访问效率更低、容量更大、每字节的造价更便宜。其所处的层数从高到低分别为：

• CPU寄存器（最快，但容量最少）
• 缓存（速度较快）
• 主存（速度较慢）
• 磁盘（速度较慢，容量大）
• CD-ROM/Disk（速度更慢，容量大）
• 存储设备（速度最慢，容量更大）

Cache概述

Cache是CPU与主存储器之间的缓冲器，主要功能是解决“冯·诺依曼瓶颈”问题，通过提高数据传输效率来优化系统性能。其核心原理解决程序的时间局部性和空间局部性。以下是Cache的基本组成和相关概念：

局部性原理

• 时间局部性：程序运行中，如果某个存储项被访问过，未来一段时间内它很有可能再次被访问。
  例如：循环变量i在短时间内被多次使用。
• 空间局部性：在程序运行过程中，某个存储项被访问后，其在内存中的相邻区域很有可能在短时间内被访问。
  例如：数组的元素按物理存储顺序连续排列，相邻元素的访问频率较高。

Cache的命中率直接决定了系统性能。在读操作中，Cache命中时间远小于失效损失时间。因此在设计Cache时，需要尽量减少失效率，而提高命中率。

Cache参数

• 块（Line）：Cache数据交换的最小单位。
• 命中（Hit）：在Cache中找到所需数据的操作。
  命中率（Hit Rate） = 命中次数 / 总访问次数。
• 失效（Miss）：需要在更慢的级别（如主存）中查找数据。
  失效率（Miss Rate） = 1 - 命中率。
• 置换算法：根据程序需求动态替换Cache中的数据块，影响命中率。

Cache地址映像

Cache地址映像是通过硬件自动实现的。以下是Cache地址变换的几种常见方式：

常见的地址映像和变换方式

通过选择合适的镜像方式，可以在实现复杂度和命中率之间取得最佳平衡。