Cache的工作过程

教学目标：

（一）培养目标：

1.培养学生掌握高速缓冲存储器的定义。

2.让学生体会到在计算机上设置Cache的必要性和可行性。

3.让学生真正理解高速缓冲存储器的工作原理。

4.让学生了解 Cache的替换方法。

（二）认识目标：

使学生认识Cache的工作过程，更一步认识CPU是如何访问内存的，更好地认识整个计算机的工作过程。

（三）情感目标：

通过对Cache的学习会使学生认识到计算机的读写数据是多么的不容易，激发学生对计算机探密的极积性，同时也会让学生更加爱护自己使用的计算机。

教学重点：

1. Cache 的定义。

2.程序访问的局部性。

3. Cache 的工作原理

教学难点：

1.程序访问的局部性。

2.Cache 的工作原理

教学方法：

任务驱动法，多媒体演示和理论教学相结合

课时安排：1课时

教学过程：

一、复习旧课（提问）

1.计算机的存储器有哪些类型？（让1名同学回答）

2.Cache属于内存吗？有何功能？（让同学们一起回答）

二、引入新课

通过提问引入新课，引入Cache的定义

三、新课教学过程

（一）Cache的定义

Cache 又称为高速缓冲存储器，简称高缓，是为了缓解CPU与内存之间速度差距而设置的一个独特的存储空间。

对定义的理解

1.Cache是存储器的一种。

2.增加cache 不是为了增加容量，面是为了缓解CPU与内存之间速度差距。

3.Cache容量比较少，但速度比较较快，接近CPU的速度。

学生活动：理解概念，记忆知识要点

（二）Cache 的分类：

1.内部Cache (一级cache)

在CPU的内部称为内部Cache。

2.外部Cache(二级cache)

在CPU的外部称为外部Cache。

学生活动：认真看图，根据图形对cache进行分类

（三）Cache使用的必要性

由于CPU的速度比较快，每秒上亿次，上万亿次，而内存多是用电容组成，速度很难提高，严重影响计算机的工作效率，为此设置Cache 。

学生活动：让学生思考目前计算机每秒上亿次，上万亿次，用起来还是感觉慢，为什么？

（四）程序访问的局部性

是指CPU在某一段时间内只访问某一段内存空间的内容。且访问率占90%以上。

1.时间局部性：一个单元内容在某时间内被多次重复访问。（如：循环程序中的循环体）

2.空间局部性：一个单元被访问，其相邻单元的内容也很快被访问。（顺序程序的顺序执行）

*：程序访问的局部性决定了Cache使用的可行性。

*：在一段时间内让CPU 只访问Cache 而很少访问内存，从而提高CPU访问速度。

学生活动：让学生体会平时设计程序的执行过程

（五）Cache的工作原理

1.一次命中：CPU要访问的单元如在cache中，则称命中，直接访问Cache,不需访问内存。

2、 一次失败：CPU要访问的单元如不在cache中，则称一次失败，这时CPU访问内存同时用该单元所在块内容修改cache 的内容，供下次访问需求。

3、 Cache的工作原理：

CPU访问存储器时，主存地址先送到cache控制器，当要访问的单元如在cache中则直接访问Cache,不需访问内存；若不在cache中，则访问内存，同时用该单元所在块内容修改cache 的内容，供下次访问需求，若cache已满，则根据替换算法进行更换。

*：cache的工作过程是由cache控制器硬件控制,速度快.

*：cache中的内容是内存中的副本.

学生活动：看图认真体会cache 的工作过程,讨论有cache后,CPU还直接访问内存吗？

（六）替换方法

1.先进先出（FIFO）

设计简单,易于实现;但命中率低.

2.近期最少使用（LRU）

难以控制,但命中率高些

(七)cache与buffer的区别

cache（缓存）是为了提高cpu和内存之间的数据交换速度而设计，也就是平常见到的一级缓存、二级缓存、三级缓存等。

buffer（缓冲）是为了提高内存和硬盘（或其他I/0设备）之间的数据交换的速度而设计的。

课堂讨论：能不能把内存都换成Ｃache?

课堂作业：

Ｐ100第二题中的６、７、８题

课外作业：

到电脑公司看看不同类型的ＣＰＵ芯片的缓存容量是多少？

课堂小结

本节课主要讲述了cache的定义，cache 使用的必要性和可行性，cache的工作原理，通过本节的学习使学生进一步理解CPU访问数据的过程，明白计算机的工作流程，更好管理和使用计算机中的资源。