认识内存和Cache

操作系统学习笔记，如有错误，还望指出。

我们有什么问题

什么是内存？

什么是Cache？

为什么需要Cache？

程序的局部性原理

这是个前置芝士点。

定义：

程序的局部性原理是指程序在执行时呈现出局部性规律，即在一段时间内，整个程序的执行仅限于程序中的某一部分。相应地，执行所访问的存储空间也局限于某个内存区域。

表现：

时间局部性和空间局部性。时间局部性是指如果程序中的某条指令一旦执行，则不久之后该指令可能再次被执行；如果某数据被访问，则不久之后该数据可能再次被访问。空间局部性是指一旦程序访问了某个存储单元，则不久之后，其附近的存储单元也将被访问。

解释：

从CPU的角度上来说，该原理可以这样表述，CPU 大多数时间在访问相同或者与此相邻的地址，或者说，CPU 大多数时间在执行相同的指令或者与此相邻的指令。

了解内存

内存也可称为主存，不管硬盘多大、里面存放了多少程序和数据，只要程序运行或者数据要进行计算处理，就必须先将它们装入内存。

从软件逻辑的角度，内存可以看成一个巨大的字节数组，内存地址就是这个数组的下标。

从硬件的角度，内存一般是条状的PCB板，相信大家都见过。PCB 板上有内存颗粒芯片，主要是用来存放数据的。板上还有 SPD 芯片， SPD 芯片用于存放内存自身的容量、频率、厂商等信息，一般在出厂前就写好的。内存条与机箱主板的槽对接，用于连接数据总线、地址总线、电源等。

内存的英文名应该叫 DRAM(dynamic random access memory)，即动态随机存储器。

为什么这么叫？

内存储存颗粒芯片中的存储单元是由电容和相关元件做成的，电容存储电荷的多、少代表数字信号的 0 和 1。而随着时间的流逝，电容存在漏电现象，这导致电荷不足，就会让存储单元的数据出错，所以 DRAM 需要周期性刷新，以保持电荷状态。即所谓 “动态”。

控制内存刷新和内存读写的是内存控制器，而内存控制器集成在北桥芯片中。传统方式下，北桥芯片存在于系统主板上，而现在由于芯片制造工艺的升级，芯片集成度越来越高，所以北桥芯片被就集成到 CPU 芯片中了，同时这也大大提升了 CPU 访问内存的性能。

内存的数据吞吐量

尽管 CPU 和内存是同时代发展的，但 CPU 所使用技术工艺的材料和内存是不同的，侧重点也不同，价格也不同。如果内存使用 CPU 的工艺和材料制造，那内存条的昂贵程度会超乎想象，没有多少人能买得起。

由于这些不同，导致了 CPU 和内存条的数据吞吐量天差地别。尽管最新的 DDR4 内存条带宽高达 34GB/s，然而这相比 CPU 的数据吞吐量要慢上几个数量级。再加上多核心 CPU 同时访问内存，会导致总线争用问题，数据吞吐量会进一步下降。

CPU 要数据，内存一时给不了怎么办？CPU 就得等，通常 CPU 会让总线插入等待时钟周期，直到内存准备好，到这里你就会发现，无论 CPU 的性能多高都没用，而内存才是决定系统整体性能的关键。

Cache的出现

根据说过的局部性原理，我们可以在CPU和内存之间增加一块小而快的存储器，来缓解 CPU “欲求不满”（滑稽脸）。这块小而快的储存器就是 Cache，即高速缓存。

Cache 中存放了内存中的一部分数据，CPU 在访问内存时要先访问 Cache，若 Cache 中有需要的数据就直接从 Cache 中取出，若没有则需要从内存中读取数据，并同时把这块数据放入 Cache 中。但是由于程序的局部性原理，在一段时间内，CPU 总是能从 Cache 中读取到自己想要的数据。

Cache 可以集成在 CPU 内部，也可以做成独立的芯片放在总线上，现在 x86 CPU 和 ARM CPU 都是集成在 CPU 内部的。

了解Cache

Cache 主要由高速的静态储存器、地址转换模块和 Cache 行替换模块组成。

Cache 会把自己的高速静态储存器和内存分成大小相同的行，一行大小通常为 32 字节或者 64 字节。Cache 和内存交换数据的最小单位是一行，为方便管理，在 Cache 内部的高速储存器中，多个行又会形成一组。

除了正常的数据空间外，Cache 行中还有一些标志位，如脏位、回写位，访问位等，这些位会被 Cache 的替换模块所使用。

Cache的工作流程

1.CPU 发出的地址由 Cache 的地址转换模块分成 3 段：组号，行号，行内偏移。

ps:访问cache是已经经过MMU转换的物理地址。

2.Cache 会根据组号、行号查找高速静态储存器中对应的行。如果找到即命中，用行内偏移读取并返回数据给 CPU，否则就分配一个新行并访问内存，把内存中对应的数据加载到 Cache 行并返回给 CPU。写入操作则比较直接，分为回写和直通写，回写是写入对应的 Cache 行就结束了，直通写则是在写入 Cache 行的同时写入内存。

3.如果没有新行了，就要进入行替换逻辑，即找出一个 Cache 行写回内存，腾出空间，替换行有相关的算法，替换算法是为了让替换的代价最小化。例如，找出一个没有修改的 Cache 行，这样就不用把它其中的数据回写到内存中了，还有找出存在时间最久远的那个 Cache 行，因为它大概率不会再访问了。

以上这些逻辑都由 Cache 硬件独立实现，软件不用做任何工作，对软件是透明的。