Cache的发展工作过程及作用论文.doc

目 录 一、Cache的发展 1 （一）PC初期无需Cache 1 （二）80386没有L1Cache 1 （三）80486出现Cache 2 （四）Peutium的分离L1 Cache和L2 Cache 2 （五）Pentium Pro内嵌式L2 Cache 3 （六）Pentium MMX容量增大的L1和L2Cache 3 （七）PentiumⅡ设有双独立总线连接L2 Cache 3 （八）PentiumⅢ的L2 Cache增大 4 （九）Merced设有L0 4 （十）与Cache相配合的缓存控制指令 5 （十一）Cache在PC中其它设备的应用 5 二、Cache的工作过程 6 1、Cache的基本工作原理 6 2、80486片内高速缓冲存储器（Cache） 11 （1）80486 片内Cache结构 11 （2）80486片Cache的工作模式 12 Cache的作用 13 参考文献 15 注释 15  CACHE的发展及其在各类计算机中的工作过程和作用 [论文摘要]Cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU和主存之间的速度不匹配而采用的一项重要技术，Cache是介于CPU和主存之间的小容量存储器，但存取速度比主存快。Cache随CPU的发展而不断改变，可以概括为：从无到有，由小到大，先外后内，纵深配备，软硬兼施。初期的CPU没有Cache，在80386时期出现外部Cache；80486时期开始有内部仅8kB的Cache。Cache的分级也由L1和L2级，发展到L0和L3级的纵深配备；Cache的大小由当初的8kB，直到Merced的1～2MB。为了更好地利用Cache，纵观PC系统和CPU二十年的发展，随着半导体加工工艺水平的不断提高，CPU和存储器的性能都有了很大的提高。CPU频率的提高，必然要求系统中存储器的存取速度要提高，还要求其容量要增大。主存储器DRAM容量的提高还是比较快的，但是DRAM读取时间的提高却很慢。从而在速度上与CPU主频的提高产生了极不相配的情况，这样会影响整个系统的性能。二十年来，CPU设计的问题之一就是解决高速CPU和低速DRAM之间的平衡或匹配问题，以求系统性能的整体提高。在它们之间加入高速缓冲存储器Cache，就是这个问题的解决方案之一。　　Cache随CPU的发展而不断改变，可以概括为：从无到有，由小到大，先外后内，纵深配备，软硬兼施。初期的CPU没有Cache，在80386时期出现外部Cache；80486时期开始有内部仅8kB的Cache。Cache的分级也由L1和L2级，发展到L0和L3级的纵深配备；Cache的大小由当初的8kB，直到Merced的1～2MB。为了更好地利用Cache，还专门配有缓存控制指令。PC初期无需Cache 在八十年代初，由于CPU主频很低，DRAM的存取时间甚至快于CPU存取时间，因此无需Cache。例如，当时PC机采用8088CPU，系统主频为4.77MHz，一个基本总线周期为4拍，即840ns。此时64kB的DRAM存取周期200ns，造成DRAM等待CPU的执行的局面，无需Cache。　　在PC/AT机采用80286CPU后，系统主频增加到10MHz，1个基本总线周期为2拍，即200ns。此时必须用读取时间为100ns的DRAM。在采用25MHz的80386DX时，一个基本总线周期为2拍，即80ns，当时已没有速度相匹配的DRAM可用。解决方案有2种：一种是在基本总线周期中插入等待，降低CPU的处理能力；另一种是采用内部和外部Cache，使用SRAM芯片以提高存储器的读取速度。80386没有L1 Cache80386初期主频为20MHz。Intel公司十分重视80386的设计制造，把它定位于“新一代个人电脑架构”，想把一些新技术设计在芯片中。但由于当时工艺所限，内置高速缓存的芯片体积过大，造成成本上升，同时工期有限，几经权衡，最后决定在80386芯片不设置高速缓冲存储器，可以生产另外的Cache，以配合80386运作。　　尽管人们意识到CPU主频的增加与内存DRAM存取时间过慢的矛盾已愈加突出，但因条件所限，80386内部没有L1 Cache，只有外部的Cache。80486出现Cache 80486是由80386CPU加80387数字协处理器以及8kB Cache构成。　　当CPU的时钟频率继续增加时，外部Cache的SRAM芯片速度也要相应提高，这样会增加系统成本，为此在设计80486时采用了内部Cache。　　80486芯片内由8kB的Cache来存放指令和数据。同时，80486也可以使用处理器外部的第二级Cache,用以改善系统性能并降低80486要求的总线带宽。Cache可以工作在80486所有的操作模式：实