采用双端口RAM和多模块存储器提高存储器的工作速度，优化后速度与CPU差距依然很大。这时提出了 主存-Cache 的方式。

一、Cache的工作原理

基于局部性原理，把程序中正在使用的部分存放在一个高速的、容量教小的 Cache 中，使 CPU 的访存操作大多数针对 Cache 进行，从而大大提高程序的执行速度。

• 局部性原理

空间局部性：在最近的未来要用到的信息(指令和数据)，很可能与现在正在使用的信息在存储空间上是邻近的。Eg：数组元素、顺序执行的指令代码。

时间局部性：在最近的未来要用到的信息，很可能是现在正在使用的信息。Eg：循环结构的指令代码。

性能分析

设 t c t_c tc​ 为访问一次Cache 所需时间， t m t_m tm​ 为访问一次主存所需时间。

• 命中率 H：CPU 欲访问的信息已在Cache中的比率
• 缺失（未命中）率：M = 1 – H
• Cache —主存 系统的平均访问时间 t 为

先访问Cache，若Cache未命中再访问主存:

t = H ∗ t c + ( 1 − H ) ∗ ( t c + t m ) t=H*t_c + (1-H)*(t_c + t_m) t=H∗tc​+(1−H)∗(tc​+tm​)

同时访问 Cache 和主存，若 Cache 命中则立即停止访问主存：

t = H ∗ t c + ( 1 − H ) ∗ t m t=H*t_c + (1-H)* t_m t=H∗tc​+(1−H)∗tm​

• 例题

二、使用 Cache 所必须解决的问题

• 如何区分 Cache 与 主存 的数据块对应关系？ ——Cache和主存的映射方式。

• Cache 很小，主存很大。如果Cache满了怎么办？ ——替换算法。

• CPU修改了Cache中的数据副本，如何确保主存中数据母本的一致性？ ——Cache写策略。

关于 Cache和主存的映射方式、Cache替换算法、Cache写策略的详细内容，见下面链接文章：

三、与 Cache 相关的试题