三種Cache寫入方式原理簡介

　　 在386以上檔次的微機中，為了提高系統效率，普遍采用Cache（高速緩沖存儲器），現在的系統甚至可以擁有多級Cache。Cache實際上是位于CPU與DRAM主存儲器之間少量超高速的靜態存儲器（SRAM），通常的大小為8KB~512KB。 

　　 對Cache的工作原理可以進行如下描述：具有Cache的計算機，當CPU需要進行存儲器存取時，首先檢查所需數據是否在Cache中。如果存在，則可以直接存取其中的數據而不必插入任何等待狀態，這是最佳情況，稱為高速命中。當CPU所需信息不在Cache中時，則需切換存取主儲器，由于速度較慢，需要插入等待，這種情況稱高速未命中。在CPU存取主存儲器的時候，按照最優化原則將存儲信息同時寫入到Cache中以保證下次可能的高速命中。因此，同一數據可能同時存儲在主存儲器和Cache中；同樣，按照優化算法，可以淘汰Cache中的一些不常使用的數據。

　　所以，提高高速命中率的最好方法是盡量使Cache存放CPU最近一直在使用的指令與數據，當 Cache 裝滿后，可將相對長期不用的數據刪除，提高 Cache 的使用效率。為保持 Cache 中數據與主存儲器中數據的一致性，避免CPU在讀寫過程中，將Cache中的新數據遺失，造成錯誤的讀數據，確保Cache 中更新過程的數據不會因覆蓋而消失，必須將 Cache 中的數據更新及時準確地反映到主存儲器中，這是一個寫入過程，通常采用的處理方法有：直寫式、緩沖直寫式與回寫式三種。 

　　1．直寫式系統： CPU對Cache寫入時，將數據同時寫入到主存儲器中，這樣可保證Cache中的內容與主存儲器的內容完全一致。這種方式比較直觀，而且簡單、可靠，但由于每次對Cache更新時都要對主存儲器進行寫操作，而這必須通過系統總線來完成，因此總線工作頻繁，系統運行速度就會受到影響。

　　2．緩沖直寫式系統：為解決直寫式系統對總線速度的影響問題，在主存儲器的數據寫入時增加緩沖器區。當要寫入主存儲器的數據被緩沖器鎖存后，CPU 便可執行下一個周期的操作，不必等待數據寫入主存儲器 。 這相對于給主存儲器增加了一個單向單次高速緩存。比如，在寫入周期之后可以緊接著一個數據已存在于Cache中的讀取周期，這樣就可避免直寫式系統造成的操作延時。但這個緩沖器只能存儲一次寫入的數據，當連續兩次寫操作發生時，CPU仍需等待。 

　　3．回寫式系統：以前的兩種寫入方式系統，都是在寫Cache的同時，對主存儲器進行寫操作。實際上這不僅是對總線帶寬的占用，浪費了寶貴的執行時間，而且對于有的情況是不必要的，可以通過增加額外的標準來判斷是否有必要更新數據。回寫式系統就是通過在Cache中的每一數據塊的標志字段中加入一更新位，解決主存儲器不必要的寫操作。比如，若Cache中的數據曾被CPU更新過但還未同時更新主存儲器，則該更新位被置1。每次CPU將一塊新內容寫入Cache時，首先，檢查Cache中該數據塊的更新位，若更新位為0，則將數據直接寫入Cache；反之,若更新位為1，則先將 Cache 中的該項內容寫入到主存儲器中相應的位置，再將新數據寫回到Cache中。

　　與直寫式系統相比,回寫式系統可省下一些不必要的立即回寫操作，而在許多情況下這是很頻繁出現的。即使一個Cache被更新，若未被新的數據所取代，則沒有必要立刻進行主存儲器的寫操作。也就是說，實際寫入主存儲器的次數，可能少于CPU實際所執行的寫入周期的次數，但回寫式系統的結構較復雜，Cache也必須用額外的容量用來存儲標志。

　　由于回寫系統的高效率，現代的Cache大多采取這種方式進行操作。