cache與內(nèi)存地址映像的教學(xué)探討

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1、Cache與內(nèi)存地址映像的教學(xué)探討　　摘要：CPU當(dāng)前訪問的數(shù)據(jù)若在高速緩存（Cache）中，就應(yīng)該將已知的內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換為Cache地址，具體轉(zhuǎn)換的方式與當(dāng)前內(nèi)存和Cache的映像方式有關(guān)。每一種映像方式中二者地址間的關(guān)系的關(guān)鍵是搞清楚Cache和內(nèi)存的地址結(jié)構(gòu)?！　￡P(guān)鍵詞：內(nèi)存；Cache；地址結(jié)構(gòu)；地址映像　　中圖分類號：G642文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1007-9599　（2012）　19-0000-02　　在現(xiàn)代計算機中，存儲系統(tǒng)均采用三級層次結(jié)構(gòu)，即外存-內(nèi)存-Cache。當(dāng)前進程肯定

2、在內(nèi)存中，但是否在Cache中主要和命中率有關(guān)。當(dāng)CPU運行時，獲取的是虛地址，該虛地址經(jīng)過地址轉(zhuǎn)換部件可自動轉(zhuǎn)換為內(nèi)存地址；若該內(nèi)存地址所在的頁已從內(nèi)存調(diào)入Cache，則此時就應(yīng)將內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換為Cache地址。從內(nèi)存地址到Cache地址的轉(zhuǎn)換（或稱映像）與內(nèi)存和Cache的映像方式有關(guān)，二者映像的關(guān)鍵是在具體映像方式下二者的地址的表示方式，即地址結(jié)構(gòu)。下面就直接映像、全相聯(lián)映像和組相聯(lián)映像這三種最常見的映像方式的地址結(jié)構(gòu)及地址轉(zhuǎn)換過程進行分析。　　1直接映像　　直接映像方式要求能直接把內(nèi)存地址

3、轉(zhuǎn)換為Cache地址，其實現(xiàn)原理如下：　　1.17Cache組織。從物理角度看，Cache的結(jié)構(gòu)與內(nèi)存結(jié)構(gòu)完全相同，均是一維結(jié)構(gòu)。在直接映像方式，系統(tǒng)對Cachec是以頁為單位進行組織。此時，邏輯上Cache是一個二維結(jié)構(gòu)的存儲器?！　〖僭O(shè)：Cache長度為2k個單元，共分2p頁，每頁的大小為2i個單元，即，k=p+i。從邏輯上看，一個k位的Cache地址可轉(zhuǎn)換為一個二維地址表示：　　二維地址Ap+i…Ai+1　（P位）Ai　…　A1（i位）　　含義Cache頁號頁內(nèi)地址　　即：一個Cache單

4、元地址的高p位是頁號，低i位是頁內(nèi)地址?！　?.2內(nèi)存組織。在直接映像方式下，內(nèi)存是先作頁的劃分，然后再把頁組織成組（或稱區(qū)），即將內(nèi)存轉(zhuǎn)換成一個三維結(jié)構(gòu)的存儲器。其中，內(nèi)存頁與Cache頁的大小相同，內(nèi)存一個組內(nèi)包含的頁數(shù)就是Cache的頁數(shù)。　　假設(shè)：內(nèi)存長度為2n個單元，共分為2m個組，每個組包含2p頁，每頁的大小為2i個單元，即n=m+p+i。邏輯上一個n位的內(nèi)存地址可分為三個部分：　　三維地址Am+p+i…　Ap+i+1（m位）Ap+i…Ai+1（P位）Ai…A1（i位）　　含義內(nèi)存組

5、號內(nèi)存組內(nèi)頁號頁內(nèi)地址　　即：一個內(nèi)存單元地址的高m位是組號，中間的p位是頁號，低i位是頁內(nèi)地址。其中，內(nèi)存組號也稱為內(nèi)存標(biāo)記?！　?.37映像規(guī)則。內(nèi)存以頁為單位調(diào)入Cache，當(dāng)將內(nèi)存頁調(diào)入Cache時，內(nèi)存的組內(nèi)頁號就是Cache的頁號。由于內(nèi)存頁與Cache頁的大小相等且以頁單位進行管理，因此，二者的頁內(nèi)地址也相等，也即內(nèi)存的組內(nèi)頁號及頁內(nèi)地址就是Cache的頁號及頁內(nèi)地址。　　由于內(nèi)存容量遠大于Cache容量，因此，組內(nèi)頁號相等的內(nèi)存頁有無數(shù)，這樣，內(nèi)存頁與Cache頁的對應(yīng)關(guān)系就是1

6、：多的映像關(guān)系。為了準(zhǔn)確反映內(nèi)存頁與Cache頁的映像，需要一張映像表來記錄，該表主要記錄內(nèi)存組號（內(nèi)存標(biāo)記）與Cache頁的關(guān)系，具體見下例?！　±耗硻C現(xiàn)有一Cache容量為1KB，256B/頁，內(nèi)存容量1MB，存儲器編址方式為字節(jié)。試問：　　（1）地址為1a2b3H的內(nèi)存單元按直接映像方式調(diào)入Cache，Cache地址？　?。?）若已將內(nèi)存的2、3、5、8頁調(diào)入Cache，映像表的內(nèi)容是什么？此時，如何判斷7頁是否在Cache中？　　解：由題意可知：　　可知內(nèi)存7（111B）頁的內(nèi)存標(biāo)記為

7、1，組內(nèi)頁號為11。具體判斷過程是：以頁號11為索引訪問映像表的11行，將獲得的內(nèi)存標(biāo)記0與自身的內(nèi)存標(biāo)記1進行比較，現(xiàn)不相等，因此，說明7頁不在Cache中?！　?全相聯(lián)映像方式　　2.1Cache組織。Cache的組織與直接映像方式完全相同。即：　　假設(shè)：Cache長度為2k個單元，共分2p頁，每頁的大小為2i個單元，這樣，一個k位的Cache地址的高p位是頁號，低i位是頁內(nèi)地址?！　?.2內(nèi)存組織。內(nèi)存的組織與Cache的組織完全相似，即以頁的方式對內(nèi)存進行組織。7　　假設(shè)：內(nèi)存長度為2n

8、個單元，每頁的大小為2i個單元，這樣，邏輯上一個n位的內(nèi)存地址可分為二個部分：　　二維地址An…Ai+1（n-i位）Ai…A1（i位）　　含義內(nèi)存頁號頁內(nèi)地址　　即：一個內(nèi)存單元地址共n位，其中：高n-i位是頁號，低i位是頁內(nèi)地址?！　?.3映像規(guī)則。內(nèi)存以頁為單位調(diào)入Cache，內(nèi)存的一頁可調(diào)入Cache的任一頁，即內(nèi)存頁與Cache無明確的映像關(guān)系。但由于二者頁的大小相等，故二者的頁內(nèi)地址相等?，F(xiàn)需一張映像表，主要用來記錄二者頁間的對應(yīng)關(guān)系，表如下例所示?！　±耗硻C現(xiàn)有一Cache容量為1