Cache的映像方法

Myth丶恋晨 2023-06-12 08:40 2阅读 0赞

**注：写的时候忘记统一内存/主存的称呼，特别声明文中内存=主存。阅读本文建议画图辅助理解**

## Cache是什么 ##

cache高速缓冲存储器一种特殊的存储器子系统，其中复制了主存中频繁使用的数据以利于快速访问。为了便于根据CPU送来的地址信息到Cache中去读取数据，必须有某种函数把主存地址映象成Cache地址。实现这种映象的函数叫**映象函数**。不同的映像函数有:

*  直接映像法
 *  全相联映像法
 *  组相联映象法

### 直接映像法 ###

###### 原则： ######

*  直接映象函数为i=j mod 2c ，其中i是Cache块号，j是主存块号， 2c为Cache总块数。
 *  将主存分为若干区，每区容量与Cache总容量相等。每区块数与Cache的块数相同，这样，每区中第i块映射的位置就是Cache的第i块
 *  维护一个块表，表的长度为Cache的块数（为了记录Cache中每块存的是主存的第几区），表中每个项目长度是主存区号的长度（为了存下块的编号）。在每次访问主存时查这个块表来对应访问Cache。

**例：设主存容量为1MB，高速缓存Cache容量为16KB，块的大小为512字节。采用直接地址映像法。**

1.  写出主存地址格式。
2.  写出Cache地址格式。
3.  块表的容量是多大。
4.  画出直接方式地址映像及变换示意图。

**解：**  
Cache块数=16KB/512B=32块  
则主存每区为32块(解释：将主存分为若干区，每区容量与Cache总容量相等。每区块数与Cache的块数相同，这样，每区中第i块映射的位置就是Cache的第i块)，共1MB/16KB=64区  
所以**主存地址**为6位区号（共2^6 =64区）+5位区内块号（共 2^5 =32块）+9位块内地址（块容量2^9=512B，按字节编址）  
所以Cache地址为5位区内块号（共 2^5 =32块），9内块内地址（块容量2^9=512B，按字节编址）,Cache其实相当于主存的一个区而已

自然的，块表的容量为32\*6位（`解释：这里的32对应Cache的块数是32块。这里的6可以这么理解，因为主存有64个区，2的6次方是64，表示Cache32个块中分别存了第几区的主存块，也就是说Cache里的不同块可能存的是不同区的内容，比如Cache的第1个块存的是主存的第1个区里的第1个块的内容，Cache的第2个块存储的是主存的第3个区里的第2个块的内容，Cache的第3个块存储的是主存的第5个区里的第3个块的内容`）

图使用教材上的图吧：（`讲解：如下图说明Cache的第一个块只能存主存的每个区的第一块的内容，第二块只能存主存的每个区的第二块的内容，依次对应`）  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMjQxOTU3_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
特点：冲突多，命中率低，使用率低（`解释：比如Cache的第一个块，存了主存的第1个区里的第一个块的数据，那就不能再存主存的其他区里的第一个块的数据了`）。但是访问速度快。

### 全相联映像法 ###

###### 原则： ######

*  主存中每一块可存入Cache中的的任一位置
 *  维护一个目录表，记录Cache每块存的是内存的哪一块。表的长度就为Cache块数（原因上同），每条项目的长度为主存的主存块号的长度，每次访存的时候查表访问。  
    **特点：目录表容量很大，访存慢。但Cache的使用率高。**

### 组相联映像法 ###

###### 原则： ######

（结合下面的图来理解）

*  是前两种方法的组合，结合了各自的优点。
 *  将Cache分组，将主存分区。`主存区内的块数和Cache的组数相同`（原因稍后介绍）。
 *  主存区内的块和Cache的组采用直接相联映像法，即第主存每区的第i块都映射到Cache的第i组。
 *  Cache每组组内采用全相联映像法，例如Cache的第3组中有个4块，Cache的第1块存了来自内存第2区的第3块，第2块存了来自内存第6区的第3快，第3、4块空.
 *  按照上面的原则，就需要一个表来说明Cache每一组存了哪几区的内存块。访存时查表到对应的区中寻找有没有该内存块。

**例. 一个组相联映像Cache由64个存储块组成， 每组包含4个存储块。主存包含4096个存储块，每块由128字组成。访存地址为字地址。`（例题结合下面的图来理解，图在最下面，往下看）`**  
（1）写出主存地址位数和地址格式  
（2）写出Cache地址位数和地址格式；  
（3）画出组相联映像方式示意图,  
（4）主存字地址为7B568H单元映射到Cache哪个组？  
**解：**  
Cache组数为64/4=16组  
主存每区内的块数=Cache的组数，则主存的区数为4096/16=256区，每区内有16个存储块  
那么**主存地址**的组成为8位区号（256区）+4位区内块号（16个存储块）+7位块内地址（一块128字，按字编址）  
**Cache地址**为4位组号（16组）+2位组内块号（每组4快）+7位块内地址（一共128字，按字编址）  
**7B568H**=（二进制）11110110 1010 1101000  
按照前面主存地址的分析，内存映射到Cache的哪个位置是根据其第8到12位（从0开始，从左往右数），为1010=5，所以映射到第5组。

教材中的图：  
（`讲解：如下图，Cache被分成了0~15个组，每个组里面包含4个块。而主存有4096个块，被分成256个区，每个区有16个块。 从下图可以看到主存的每个区的第一块都是存到Cache的第一个组的块里面，主存的每个区第二个块都是存到Cache的第二个组的块里面`）  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwMjQxOTU3_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
本文转载自：https://www.cnblogs.com/QEStack/p/8157777.html

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