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習題預習

1. 什麼是Cache，以及它的作用是什麼？
2. Cache的失效怎麼判斷？失效後應該如何處理？
3. Cache一致性問題是什麼？怎麼解決？
4. Cache與多級存儲結構有什麼關係？它們之間是如何通信的？
5. 目前常用的Cache替換算法有哪些？它們的優缺點分別是什麼？

說明知識

Cache是一種資料儲存技術，可以儲存經常被使用的資料，以提高系統存取速度。當系統需要某個資料時，會先在Cache搜尋該資料，如果有找到便直接返回，不需再到主機取得該資料，這樣可以節省時間和資源。

舉例來說，當我們使用瀏覽器上網，經常會前往一些常去的網站。如果網站的資料已經被Cache起來，當我們再次訪問該網站時，瀏覽器就可以直接載入網站的資料，而不必重新載入網站的全部內容，這樣可以節省網路資源和加快載入速度。同樣的，操作系統也會使用Cache技術，儲存最常用的資料，如常用程式的啟動檔案等，以提高系統效能。

條列重點

1. Cache是一种高速缓存技术，用于优化计算机系统的性能。
2. Cache分为三种类型：L1 Cache、L2 Cache和L3 Cache。
3. Cache的作用是存储经常访问的数据以提高访问速度。
4. Cache结构包括标识标记、状态标记、标签和数据存储器等。
5. Cache的替换策略包括随机替换、最不常用替换、最近最少使用替换等。
6. Cache的写回和写直两种方式分别适用于不同的场景。
7. Cache的并发访问需要通过锁来保证数据一致性。
8. Cache的大小、速度和成本存在着相互制约的关系。
9. Cache可以通过提高命中率、减少失效率、增加带宽等手段来提高性能。
10. Cache漏洞与攻击也是当前研究的热点之一。

知識測驗

1. 什麼是Cache的命中率？如何計算Cache的命中率？
2. 設計一個Cache的替換策略，要求實現LRU和LFU兩種置換方法。
3. 怎樣提高Cache的命中率？列舉幾個方法。
4. 什麼是Cache的一致性問題？如何解決Cache的一致性問題？
5. 聯結Cache和Direct-mapped Cache有什麼區別？在何種情況下會選擇使用Direct-mapped Cache？

答案：

1. Cache的命中率是指CPU需要的數據在Cache中是否存在的概率，可以通過公式命中率=命中次數/總訪問次數進行計算。
2. LRU即Least Recently Used，LFU即Least Frequently Used。LRU用來將最近未使用的數據置換，LFU用來將使用次數最少的數據置換。
3. 提高Cache的命中率的方法包括：增加Cache大小，使用多級Cache，優化編程算法，利用預取技術，適當設置Cache的替換策略等。
4. Cache的一致性問題是指多個處理器讀寫同一塊存儲器時，可能出現不一致的問題。解決Cache的一致性問題通常有兩種方式：使用硬件協議，如MESI協議、龍芯協議等；或者使用軟件協議，如緩存一致性協議等。
5. 聯結Cache在存儲數據時找尋的索引號是由多個Cache緩存的外部地址組成的，查找速度快；而Direct-mapped Cache的索引號則是由外部地址的一部分直接映射而來，所以速度更快。一般在容量較大的情況下使用聯結Cache，容量較小的情況下使用Direct-mapped Cache。