Cache–主存的地址映射

由主存地址映象到cache地址稱為地址映射

cache的基本結構：

Cache的工作過程：
CPU發出一個地址，同時發給主存和cache的地址映射機構，CPU會從主存中取出字還是從cache中取出字，主存將塊號送入主存cache地址變換機構，如果命中，就將主存地址轉化為cache地址，從cache存儲體中找到對應的字，然后通過數據總線送到CPU，完成一次讀寫過程；如果沒有命中，這個字就不能從cache中取，而應該從主存中取出字送給CPU，與此同時，如果cache中有空間，可以裝進，就將這個字所在的塊拿到cache中。如果空間不夠，不能裝進cache，cache替換機構就將cache中不常用的塊拿出，將該字的塊替換進cache中。

主存與cache的映射過程：
當緩存接收到CPU送來的主存地址后，只需要根據cache字塊地址字段（c位）找到cache字塊，然后判斷cache字塊地址與主存地址的主存塊標記是否相符，若符合且有效位為“1”，表示cache塊已經和主存的某個塊建立對應關系（cache命中）；若不符合或有效位為“0”，就從主存中讀入新的字塊代替舊的字塊，同時將信息送往CPU，并修改cache標記，將有效位置1。

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1.全相聯映射（靈活性大的映象關系）

主存中的任一塊映象到緩存中的任一塊，將主存中一個塊的地址（塊號）與塊的內容（字）一起存與cache的行中，其中塊地址存與cache行的標記部分。cache的數據塊大小稱為行，主存的數據塊大小稱為塊。cache與主存之間的數據交換以塊為單位，CPU與cache之間的數據交換以字為單位。

優點：靈活，命中率高
缺點：主存字塊標記為全部塊標記，訪問cache時，主存的字塊標記要和cache的全部標記位進行比較，所需的邏輯電路很多，成本較高，實際的cache還要采用各種措施來減少地址的比較次數。

例題：某內存64塊，cache有4塊，一個塊為4個字節，按字節編址，采用全相聯映射方式，寫出cache和主存地址格式。

全相聯映射方式中主存的主存塊標記是全部塊標記，，根據主存和cache的對應關系，一個塊為4個字節，能得出主存和cache的塊內地址的位數都是2位，根據cache的塊數是4，得出cache塊的位數是2。因為主存的塊數為64塊，得出主存塊標記的位數是6位。

2.直接映射（固定的方式）

主存中的任意塊映射到緩存中的唯一塊，每個主存塊只與一個緩存塊相對應。

i為緩存塊號，j為主存塊號，C為緩存塊數，映射關系式：i = j mod C
特點：不靈活，每個主存塊只能與固定對應某個緩存塊，即使還空著許多位置也不能使用。
主存地址的格式：

例題：某內存64塊，cache有4塊，一個塊為4個字節，按字節編址，采用直接映射方式，寫出cache和主存地址格式。

我們一個個的分析，先分析cache
cache：4塊=16字節=2的4次方字節，cache的總位數是4。
主存：64塊=64*4字節=2的8次方字節，主存的總位數是8

由題意得：一個塊4個字節，就是2的2次方，可以得出cache的塊內地址為2位，又因為cache的總位數是4，所以得出cache塊有（4-2）位

主存塊標記的位數就相當于主存的總位數減去cache的總位數，就是4位，最后就求出cache和主存的地址格式

3.組相聯映射（上述兩種映象的折中）

組間直接映射，組內全相聯映射
主存塊j按模Q（組數）映射到緩存的第i組中任一塊，cache分為Q組，每組R塊
對應關系有：i = j mod Q
i為緩存的組號，j為主存的塊號

組內n塊，組相聯映射定義為n路組相聯

例題：主存容量512K×16位，cache容量4096×16位，塊長為4個16位的字，按字地址訪存寫出二路組相聯映射下主存的地址格式。

cache地址的位數：4096=2的12次方，12位
主存地址的位數：512K=2的19次方，19位

由塊長可得塊內地址位：2位
二路組相聯，cache的組數：2的10次方/2=2的9次方。所以主存的區內組號是9位
主存字塊標記的位數：19-2-9=8

4.段相聯映射

段相聯映射是直接映射和全相聯映射相結合的方式，將主存和cache都分成若干段，并且使他們每段所包含的塊數都相等，段之間采用全相聯映射，段內塊之間采用直接映射。

當段數與cache塊數相等時（即每段只包含一塊），為全相聯映射
當段數為1時，為直接映射

總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机组成原理——Cache与主存的地址映射的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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