在多级存储体系中,cache-主存

在多级存储体系中，cache-主存

随着计算机软硬件技术的进步和应用需求的不断增加，存储器作为计算机的重要组成部分也发展出了多层次的存储体系，并在其中寻找到了一种有效的解决方案，那就是cache-主存结构。

cache-主存结构是一种常见的多级存储器体系，其主要优点在于能够提高计算机访问速度，减轻了主存的负担，提高了数据存储安全性。下面我们将从多个角度来分析这种体系。

一、定义

cache-主存结构是一种由快速小容量的存储器设备cache和慢速大容量的主存储器组成的存储层次结构。cache层是主存层的前置存储器，它一般有更快的访问速度和更小的存储容量，自身容量很小，只能缓存主应用程序中最活跃的部分。主存层是cache层的后置存储器，其容量比cache层大得多，速度也比cache慢得多。

二、功效

cache-主存结构的主要优点是从多角度提高了计算机访问速度，减轻了主存的负担，提高了数据存储安全性：

（1）提高了访问速度：计算机直接从主存中读取更多的数据，访问cache时发现所需数据已经被缓存，可以直接从cache中提取，而不需要等待主存的响应。由于cache的速度比主存快得多，这样的时间差异可以在一定程度上减小整体访问时间。

（2）减轻了主存的负担：由于cache可以维护少量的数据，在CPU需要访问内存时，cache可以快速响应，充分利用了主存的慢速数据和内存的大容量，从而更好地协调了系统性能。

（3）提高了数据存储安全性：cache-主存结构可以保证数据的一致性，cache操作是自动同步到主存中的，主存数据更新后会自动刷新到cache中，很好地避免了数据的丢失。

三、实现方法

cache-主存结构通常采用三种实现方法：1. 直接映射；2. 全相联；3. 动态随机访问。

1、直接映射（DM）是最简单的实现方法。CPU内部有一个存储器空间，实际上是主存地址（虚拟地址）与cache地址的映射表。每次CPU访问主存时，首先将访问地址通过映射表映射为cache地址，如果在cache中发现了匹配的数据，则直接从cache中读取数据。如果cache中没有要访问的数据，则在主存中查找，同时将主存中的数据直接写入cache中。

2、全相联（FA）是最灵活的实现方法。在全相联的cache中，每个数据块放在任何地址上都可以。CPU访问内存的时候，cache会去查找全部的caches，然后提取出其中匹配的内容进行返回。

3、动态随机访问（SA）是介于直接映射与全相联之间的一种实现方法。在这种缓存结构中，一部分主存被划分为块，在缓存内部，则是完全按照cache大小做的分组，每组大小都是相同的。每次CPU访问内存时，cache中所存储数据的组号都是随机分配的，然后根据对应的约束条件进行存储。

四、总结

综上所述，cache-主存结构是一种有效的解决计算机访问速度、内存负担和数据存储安全性问题的方案。具体可以选取三种实现方法之一，在实践中得到应用。