快取的概念以及發展

快取的概念以及發展

快取就是資料交換的緩衝區(稱作Cache)，當某一硬體要讀取資料時，會首先從快取中查詢需要的資料，如果找到了則直接執行，找不到的話則從記憶體中找。由於快取的執行速度比記憶體快得多，故快取的作用就是幫助硬體更快地執行。

基本簡介

快取記憶體(英語：Cache)，其原始意義是指訪問速度比一般隨機存取儲存器(RAM)來得快的一種RAM，一般而言它不像系統主存那樣使用DRAM技術，而使用昂貴但較快速的SRAM技術。

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處理資料時，它會先到Cache中去尋找，如果資料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儲存器(Main memory)中讀取資料——由於CPU的執行速度一般比主記憶體的讀取速度快，主儲存器週期(訪問主儲存器所需要的時間)為數個時鐘週期。因此若要訪問主記憶體的話，就必須等待數個CPU週期從而造成浪費。提供“快取記憶體”的目的是為了讓資料訪問的速度適應CPU的處理速度，其基於的原理是記憶體中“程式執行與資料訪問的局域性行為”，即一定程式執行時間和空間內，被訪問的'程式碼集中於一部分。為了充分發揮快取記憶體的作用，不僅依靠“暫存剛剛訪問過的資料”，還要使用硬體實現的指令預測與資料預取技術——儘可能把將要使用的資料預先從記憶體中取到快取記憶體裡。CPU的快取記憶體曾經是用在超級計算機上的一種高階技術，不過現今電腦上使用的的AMD或Intel微處理器都在晶片內部集成了大小不等的資料快取記憶體和指令快取記憶體，通稱為L1快取記憶體(L1 Cache 即 Level 1 On-die Cache，第一級片上高速緩衝儲存器);而比L1更大容量的L2快取記憶體曾經被放在CPU外部(主機板或者CPU介面卡上)，但是現在已經成為CPU內部的標準組件;更昂貴的頂級家用和工作站CPU甚至會配備比L2快取記憶體還要大的L3快取記憶體(level 3 On-die Cache 第三級高速緩衝儲存器)。

由於主存容量遠大於快取記憶體的容量，因此兩者之間就必須按一定的規則對應起來。快取記憶體的地址映象就是指按某種規則把主存塊裝入快取記憶體中。地址變換是指當按某種映象方式把主存塊裝入快取記憶體後，每次訪問快取記憶體時，如何把主存的物理地址(Physical address)或虛擬地址(Virtual address)變換成快取記憶體的地址，從而訪問快取記憶體中的資料。映象和變換的方式有四種：直接映象、全相連映象、組相連映象、區段相連映象。

現在快取記憶體的概念已被擴充，不僅在CPU和主記憶體之間有Cache而且在記憶體和硬碟之間也有Cache(磁碟快取記憶體)，乃至在硬碟與網路之間也有某種意義上的Cache - Internet臨時資料夾──凡是位於速度相差較大的兩種硬體之間的，用於協調兩者資料傳輸速度差異的結構，均可稱之為Cache。

映象與變換

由於主存容量遠大於快取記憶體的容量，因此兩者之間就必須按一定的規則對應起來。快取記憶體的地址映象就是指按某種規則把主存塊裝入快取記憶體中。地址變換是指當按某種映象方式把主存塊裝入快取記憶體後，每次訪問快取記憶體時，如何把主存的物理地址(Physical address)或虛擬地址(Virtual address)變換成快取記憶體的地址，從而訪問快取記憶體中的資料。

映象和變換的方式有四種：直接映象、全相連映象、組相連映象、區段相連映象。

概念的擴充

現在快取記憶體的概念已被擴充，不僅在CPU和主記憶體之間有Cache而且在記憶體和硬碟之間也有Cache(磁碟快取記憶體)，乃至在硬碟與網路之間也有某種意義上的Cache - Internet臨時資料夾──凡是位於速度相差較大的兩種硬體之間的，用於協調兩者資料傳輸速度差異的結構，均可稱之為Cache。隨著應用軟體的增多，垃圾越來越多。智慧快取的開發與應用，對有意義的快取保留，無用的快取智慧清理或者進行暫時壓縮處理!