三种cache写入方式原理简介

在386以上档次的微机中，为了提高系统效率，普遍采用Cache（高速缓冲存储器），现在的系统甚至可以拥有多级Cache。Cache实际上是位于CPU与DRAM主存储器之间少量超高速的静态存储器（SRAM），通常的大小为8KB~512KB。

　　
对Cache的工作原理可以进行如下描述：具有Cache的计算机，当CPU需要进行存储器存取时，首先检查所需数据是否在Cache中。如果存在，则可以直接存取其中的数据而不必插入任何等待状态，这是最佳情况，称为高速命中。当CPU所需信息不在Cache中时，则需切换存取主储器，由于速度较慢，需要插入等待，这种情况称高速未命中。在CPU存取主存储器的时候，按照最优化原则将存储信息同时写入到Cache中以保证下次可能的高速命中。因此，同一数据可能同时存储在主存储器和Cache中；同样，按照优化算法，可以淘汰Cache中的一些不常使用的数据。

　　所以，提高高速命中率的最好方法是尽量使Cache存放CPU最近一直在使用的指令与数据，当
Cache 装满后，可将相对长期不用的数据删除，提高 Cache 的使用效率。为保持
Cache
中数据与主存储器中数据的一致性，避免CPU在读写过程中，将Cache中的新数据遗失，造成错误的读数据，确保Cache
中更新过程的数据不会因覆盖而消失，必须将 Cache
中的数据更新及时准确地反映到主存储器中，这是一个写入过程，通常采用的处理方法有：直写式、缓冲直写式与回写式三种。

　　1．直写式系统：
CPU对Cache写入时，将数据同时写入到主存储器中，这样可保证Cache中的内容与主存储器的内容完全一致。这种方式比较直观，而且简单、可靠，但由于每次对Cache更新时都要对主存储器进行写操作，而这必须通过系统总线来完成，因此总线工作频繁，系统运行速度就会受到影响。

　　2．缓冲直写式系统：为解决直写式系统对总线速度的影响问题，在主存储器的数据写入时增加缓冲器区。当要写入主存储器的数据被缓冲器锁存后，CPU
便可执行下一个周期的操作，不必等待数据写入主存储器 。
这相对于给主存储器增加了一个单向单次高速缓存。比如，在写入周期之后可以紧接着一个数据已存在于Cache中的读取周期，这样就可避免直写式系统造成的操作延时。但这个缓冲器只能存储一次写入的数据，当连续两次写操作发生时，CPU仍需等待。

　　3．回写式系统：以前的两种写入方式系统，都是在写Cache的同时，对主存储器进行写操作。实际上这不仅是对总线带宽的占用，浪费了宝贵的执行时间，而且对于有的情况是不必要的，可以通过增加额外的标准来判断是否有必要更新数据。回写式系统就是通过在Cache中的每一数据块的标志字段中加入一更新位，解决主存储器不必要的写操作。比如，若Cache中的数据曾被CPU更新过但还未同时更新主存储器，则该更新位被置1。每次CPU将一块新内容写入Cache时，首先，检查Cache中该数据块的更新位，若更新位为0，则将数据直接写入Cache；反之,若更新位为1，则先将
Cache 中的该项内容写入到主存储器中相应的位置，再将新数据写回到Cache中。

　　与直写式系统相比,回写式系统可省下一些不必要的立即回写操作，而在许多情况下这是很频繁出现的。即使一个Cache被更新，若未被新的数据所取代，则没有必要立刻进行主存储器的写操作。也就是说，实际写入主存储器的次数，可能少于CPU实际所执行的写入周期的次数，但回写式系统的结构较复杂，Cache也必须用额外的容量用来存储标志。

　　由于回写系统的高效率，现代的Cache大多采取这种方式进行操作。