緩存是20世紀最大的發明，其原理用一些存取速度較快的存儲設備做為數據緩沖區，避免頻繁訪問速度較慢的低速存儲設備，歸根結底的原因是，低速存儲設備是整個系統的瓶頸，緩存用來緩解“瓶頸設備”的壓力。

之前介紹實模式下的寄存器時，舉了一個瀏覽器訪問網頁的例子，里面有12步，幾乎步步都用到了緩存。不過，這些緩存都是在內存DRAM中實現的，即動態隨機訪問存儲器，究其原因是數據要么在數據庫中要么在硬盤上，其速度肯定比內存慢。選做用緩存的存儲設備，其存取速度肯定是比其原有存儲設備更快，否則失去了緩存的意義。相對于cpu來說，DRAM太慢了，如果也要用它來做cpu的緩存，反而是拖了后腿，不如不用。

cpu為什么要用緩存？因為待執行的指令和相關數據是存儲在低速的內存中，讓cpu這種高速設備等待慢速的內存，著實太浪費cpu資源了。人們根本無法容忍cpu如此“漫長”的“浪費”，所以需要用一個比內存更快的存取設備做緩沖區，盡量和cpu一個速度，讓cpu不要等待。于是SRAM成了cpu的救世主，成為cpu和內存之間數據緩存的不二之選。

前面在介紹實模式下的寄存器時，也說到了cpu中的緩存。cpu中有一級緩存L1、二級緩存L2，甚至三級緩存L3等。它們都是SRAM，即靜態隨機訪問存儲器，它是最快的存儲器啦。之所以把SRAM和寄存器放到一塊說，是因為很多同學在感觀上覺得寄存器是cpu直接使用的存儲單元，所以寄存器比SRAM更快。其實他們在速度上是同一級別的東西，因為寄存器和SRAM都是用相同的存儲電路實現的，用的都是觸發器，它可是工作速度極快的，屬于納秒級別。至于觸發器是什么，這已屬于硬件范疇，這里咱就不深究了，因為我也不懂，不敢亂說啦^_^，有興趣的同學請自行調研吧。

有哪些東西可以被緩存呢？無論是程序中的數據或指令，在cpu眼里全是一樣形式的二進制01串，沒有任何區別，都是cpu待處理的“數據”。所以我們眼中的指令和數據都可以被緩存到SRAM中。

什么時候能緩存呢？可以根據程序的局部性原理采取緩存策略。局部性原理是：程序90%的時間都運行在程序中10%的代碼上。

局部性分為兩個方面:

一方面是時間局部性：最近訪問過的指令和數據，在將來一段時間內依然經常被訪問。

另一方面空間局部性：靠近當前訪問內存空間的內存地址，在將來一段 時間也會被訪問。

舉一個典型的例子，我們在用高級語言寫程序時，經常會寫到這樣的循環嵌套代碼，如：

int array[100][100]; int sum = 0; … 數組array元素被賦值，略。 … for (int i=0, i<100,i++) {for(int j=0;j<100,j++) {sum+=array[i][j];} }

以上是將二維數組中的所有元素相加求和。循環中經常被用到的地址是sum所在的地址，經常被用到的指令是加法求和指令，這是在時間上的局部性。未來要訪問的地址是與當前訪問地址&array[i][j]相鄰的地址&array[i][j+1]，它們之間只差一個整型變量的大小，這是空間上的局部性的。（當然，這些局部性都是編譯器編譯的結果，編譯器就是這樣安排的。）cpu利用此特性，將當前用到的指令和當前位置附近的數據都加載到緩存中，這就大大提高了cpu效率，下次直接從緩存中拿數據，不用再去內存中取啦。

當然，上面說的是理想的狀態，如果緩存中沒有相應的數據，還是要去內存中去加載，然后再放到緩存中。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的一步步编写操作系统 29 cpu缓存简介的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。