高速缓冲存储器cache
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概述
读写流程
地址映射
直接映射
全相连映射
组相连映射
替换算法
写入策略
概述
高速缓冲存储器是现代计算机系统中位于 CPU 和主存之间的高速小容量存储器，其诞生是为了解决 CPU 运算速度与主存读写速度不匹配的问题。
Cache 的工作原理基于程序访问的局部性原理，其核心思想是：程序在执行过程中，对内存的访问并不是随机的，而是呈现出高度的集中性，包括时间局部性和空间局部性。
Cache 的存储单元通常以块（Block） 为单位，当访问某个数据时，Cache 会将该数据所在的整个块一起从内存加载到 Cache 中。这样，后续访问相邻数据时，可直接从 Cache 读取，无需再次访问内存。
为了配合 Cache 按 “块” 加载数据的机制，主存地址通常会被划分为两个关键部分：高m位块地址和低b位块内偏移，2^m=M则表示主存的块数。同样，缓存地址也分为两段，高c位的缓存块号，低b位的块内地址，2^c=C表示缓存块数。
CPU 从主存读取数据时，核心差异在于是否能在 Cache 中命中目标数据，主要可分为“Cache 命中” 和 “Cache 未命中”。
读写流程
读操作
“数据查找 + 地址映射”：
CPU 访问主存地址 addr 时，Cache 通过地址映射算法，快速判断 addr 对应的数据是否在 Cache 中。核心是将主存地址拆分为 标记（Tag）、索引（Index）、块内偏移（Offset），通过索引定位 Cache 行，通过标记确认数据归属。
“数据命中”：
Cache 行中存在 addr 对应的数据，且有效位为 1（数据未被淘汰）。此时 CPU 直接从 Cache 读取，延迟极低。
“数据缺失”：
Cache 中无 addr 对应的数据，需执行 “块替换 + 预读”：若 Cache 未满，直接分配新行；若已满，通过替换策略淘汰旧行。从主存加载 addr 所在的整个数据块，更新 Cache 行和查找表。
写操作
“写入策略”：
决定写入 Cache 后，数据何时同步回主存：
- 写回：仅写入 Cache，标记为 “脏数据”；当数据被淘汰时，再同步回主存。优点是减少主存写操作，缺点是主存与 Cache 可能出现数据不一致（需依赖脏位标记）。
- 写穿：写入 Cache 的同时，立即同步到主存。优点是主存数据始终与 Cache 一致，缺点是增加主存写操作，延迟高。
“写分配策略”：
数据缺失时，是否为写入操作分配 Cache 行：
- 写分配：分配 Cache 行，加载主存块后写入（如写回策略常用）。
- 非写分配：不分配 Cache 行，直接写入主存（如写穿策略常用）。
地址映射
直接映射
全相连映射
组相连映射
替换算法
写入策略
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