为什么引入Cache？
因为IO设备向主存请求的级别高于cpu，会出现cpu等待IO访问cpu的情况，进而导致cpu使用效率的降低。解决主存和cpu速度不匹配的问题。
Cache依赖的原理？
时间局部性：近期要访问的数据很可能是现在要访问的数据，因为有循环。
空间局部性：近期要访问数据的所在地址，很可能就是现在访问数据地址的附近。
Cache和主存的映射方式
cache里面的数据实际上就是主存数据的一份复制。那么主存的数据该怎么放进cache中，引出映射的不同方式。而为存入cache里面的块为了与主存的块保持对应，还需要加上标记。还需要添加有效位来保存当前cache块的状态。
标记：用于指出在cache里面的是主存的哪一块的副本。
例如：cache 中有 0 1 2 3 ，此时cpu要访问主存的第4块和第8块数据，主存里第四块数据如果根据组相连映射法，4将映射到cache的第(4mod4=0)组，8将映射到cache的第(8mod4=0)组.这时候如果不加上一个标识，那都分不清楚4和8在cache里第0组里面谁是谁了，因为他们都是0。有效位：为1：该块已经放了。为0：没放。
1、直接映射
主存里面的每一块只可以放在cache里固定的位置，不能放别人那。后来的、产生冲突的块，直接把原来的踢走。
j:Cache块号
i:主存块号
c:Cache总块数
直接映射的关系： j = i mod c
地址结构
| 标记 | Cache行号 | 块内地址 |
|---|
cache命中：
1、首先找到地址结构中的cache行号对应的在cache里内容。
2、根据该cache块的标记位与主存的标记位来进行比较。
3、如果相等并且有效位=1，则说明cache命中。
cache未命中：
1、从cpu内读取所需要数据在主存中的位置。
2、找到以后读出信息，同时送去对应的cache行，还要把信息送至cpu
优点：实现简单。
缺点：空闲块利用率较低，块冲突的概率高。不够灵活。
2、全相联映射
主存的每一块可以放进cache中空闲的任意一个位置。cpu访存时需要和所有的cache行的标记进行比较，因为它的放置与主存的位置之间没有规律可循。
地址结构：
| 标记 | 块内地址 |
|---|
优点：冲突概率低，提高了空闲块的利用率，命中率较高。
缺点：标记的比较速度比较慢，实现成本高，通常要用昂贵的相联存储器来进行地址映射。
3、组相联映射
结合全相联映射和直接映射的方式，将cache进行分组，主存里的每一块固定对应cache的某一组，不能去别的组。而组内是使用了全相联映射的方式，组内随机存放。
二路组相联--------将cache分成2块为一组
（主存地址块号）mod（cache的分组数）= 该块在cache当中的所在组号。
地址结构
| 标记 | 组号 | 块内地址 |
|---|
路数越多则冲突概率越低，但是路数越多也就以为着电路的设计更加的复杂。成本接近直接映射，性能接近全相联映射。
Cache主存块的替换算法
当cache已经存满了的时候，该如何选择被换出的cache块？
1、随机算法
随机从cache里面挑选一名幸运的人被换出去，可惜没依据程序访问的局部性原理，因为随机挑一个有可能是工作人员，他要一直被使唤干活的（即该块使用率较高）。命中率比较低。
2、先进先出算法（堆栈类算法）
从cache里面选最开始就来了的人，谁先到谁先滚蛋。也不是很好，因为如果是工作人员，那他最早来的cache被换走了就很麻烦。因为他比较忙，可能经常是要使唤去干活的。因此也没有依据程序访问的局部性原理
3、最近最少使用算法（堆栈类算法)
选cache里面近期没有被使唤的工作人员换出，稍微合理了些，依据了局部性原理。那么系统是怎么知道cache里面谁被使唤的时间最少呢？
对cache每个工作人员设置一个计数器，每当一个工作人员被使唤一次则计数器归0，比他低的+1。
抖动：集中访问的存储区超过cache组的大小时，命中率可能变得非常低。
4、最不经常使用算法
将一段时间内访问次数最少的块进行换出操作，设置计数器，使用一次便++，最后计数器值最小的就是最不经常使用的。
Cache写策略
在通过cache进行访问数据的时候，难免会有数据出现修改要写回主存的情况，那么对于写回主存又有以下几种策略。
cache命中：
1、全写法：当cpu对cache写命中时，必须把数据同时写入内存
但是由于写回cpu写回主存的速度和写回cache的速度不匹配（写回主存更加慢），所以添加一个写缓冲（FIFO队列），cpu把要修改的数据给了cache和缓冲池以后就去干别的事情，由缓冲自己慢慢写回主存。但是如果频繁写入的话容易造成写缓冲溢出。
优点:随时保持数据的正确性
缺点：增加了访存的次数，降低了cache的效率
2、写回法：cpu命中后修改cache里面的数据，并不会立即写回主存，只有在这一块被换出去的时候才会去看这块是否修改了，才决定要不要写回主存。
那么怎么确定该块是否被修改了？
设置脏位，脏位=1，修改了，反之没有被修改。
cache不命中
1、写分配法
加载主存的块到cache里面，更新这个cache块。缺点是每一次不命中都要去主存里面读取一块。通常配合写回发使用，因为调块去了cache里面就意味着将会被命中，则也是设置脏位
2、非写分配法
只写入主存，不进行调块