Cache的地址映射

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1、全相聯(lián)映射是指主存中任一塊都可以映射到Cache中任一塊的方式，也就是說(shuō)，當(dāng)主存中的一塊需調(diào)入Cache時(shí)，可根據(jù)當(dāng)時(shí)Cache的塊占用或分配情況，選擇一個(gè)塊給主存塊存儲(chǔ)，所選的Cache塊可以是Cache中的任意一塊。例如，設(shè)Cache共有2C塊，主存共有2M塊，當(dāng)主存的某一塊j需調(diào)進(jìn)Cache中時(shí)，它可以存入Cache的塊0、塊1、…、塊i、…或塊2C-1的任意一塊上。如圖4-28所示。圖4-28全相聯(lián)映射方式在全相聯(lián)映射方式下，CPU的訪主存地址為如下形式：其中，M為主存的塊號(hào)，W為塊內(nèi)的字號(hào)。而CPU訪Cache的地址形式為：其中，C為Cache的塊號(hào)，W為塊內(nèi)的字號(hào)。主

2、存地址到Cache地址的轉(zhuǎn)換是通過(guò)查找一個(gè)由相聯(lián)存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)的塊表來(lái)完成的，其形成過(guò)程如圖4-29示。圖4-29全相聯(lián)映射的地址轉(zhuǎn)換當(dāng)一個(gè)主存塊調(diào)入Cache中時(shí)，會(huì)同時(shí)在一個(gè)存儲(chǔ)主存塊號(hào)和Cache塊號(hào)映射表的相聯(lián)存儲(chǔ)器中進(jìn)行登記。CPU訪存時(shí)，首先，根據(jù)主存地址中的主存塊號(hào)M在相聯(lián)存儲(chǔ)器中查找Cache塊號(hào)，若找到，則本次訪Cache命中，于是將對(duì)應(yīng)的Cache塊號(hào)取出，并送訪Cache地址的塊號(hào)C字段；緊接著將主存地址的塊內(nèi)字號(hào)W直接送Cache地址的塊內(nèi)字號(hào)W字段，從而形成一個(gè)訪Cache的地址；最后根據(jù)該地址完成對(duì)Cache單元的訪問(wèn).全相聯(lián)映射方式的優(yōu)點(diǎn)是Cache的空

3、間利用率高，但缺點(diǎn)是相聯(lián)存儲(chǔ)器龐大，比較電路復(fù)雜，因此只適合于小容量的Cache之用。2.直接相聯(lián)映射直接相聯(lián)映射方式是指主存的某塊j只能映射到滿足如下特定關(guān)系的Cache塊i中：i＝j(luò)mod2C（4.2）圖4-30直接相聯(lián)映射方式上圖中，主存的第0、2C、2C＋1、…塊只能映射到Cache的第0塊，主存的第1、2C+1、2C＋1+1、…塊只能映射到Cache的第1塊，……，主存的第2C-1、2C＋1-1、…2M-1塊只能映射到Cache的第2C-1塊。在直接相聯(lián)映射方式下，CPU的訪主存地址為如下形式：其中，T為標(biāo)志號(hào)，C為Cache的塊號(hào)，W為塊內(nèi)的字號(hào)。在這里，原主存的塊號(hào)

4、M實(shí)際上被分成了兩個(gè)字段：T和C，其中C用于指出主存的塊可以映射的Cache的塊。一般來(lái)講，主存的塊數(shù)是Cache的塊數(shù)的整數(shù)倍，也就是說(shuō)主存的塊數(shù)2M和Cache的塊數(shù)2C滿足關(guān)系式：2M＝n·2C在直接相聯(lián)映射方式下，標(biāo)志號(hào)T是隨Cache的每個(gè)塊一起存儲(chǔ)的，其地址轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖4-31所示。圖4-31直接相聯(lián)映射的地址轉(zhuǎn)換當(dāng)一個(gè)主存塊調(diào)入Cache中時(shí)，會(huì)同時(shí)將主存地址的T標(biāo)志存入Cache塊的標(biāo)志字段中。當(dāng)CPU送來(lái)一個(gè)訪存地址時(shí)，首先，根據(jù)該主存地址的C字段找到Cache的相應(yīng)塊，然后將該塊標(biāo)志字段中存放的標(biāo)志與主存地址的T標(biāo)志進(jìn)行比較，若相符，說(shuō)明主存的塊目前已調(diào)入該C

5、ache塊中，則命中，于是使用主存地址的W字段訪問(wèn)該Cache塊的相應(yīng)字單元；若不相符，則未命中，于是使用主存地址直接訪主存。直接相聯(lián)映射方式的優(yōu)點(diǎn)是比較電路最簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是Cache塊沖突率較高，從而降低了Cache的利用率。由于主存的每一塊只能映射到Cache的一個(gè)特定塊上，當(dāng)主存的某塊需調(diào)入Cache時(shí)，如果對(duì)應(yīng)的Cache特定塊已被占用，而Cache中的其它塊即使空閑，主存的塊也只能通過(guò)替換的方式調(diào)入特定塊的位置，不能放置到其它塊的位置上。3.組相聯(lián)映射以上兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，而且非常有趣的是，它們的優(yōu)缺點(diǎn)正好相反，也就是說(shuō)，對(duì)于全相聯(lián)映射方式來(lái)說(shuō)為優(yōu)點(diǎn)的恰是直接相聯(lián)映射

6、方式的缺點(diǎn)，而對(duì)于全相聯(lián)映射方式來(lái)說(shuō)為缺點(diǎn)的恰是直接相聯(lián)映射方式的優(yōu)點(diǎn)。那么，可否找到一種能較好地兼顧這兩種方式的優(yōu)點(diǎn)的映射方式呢？下面我們就來(lái)看看組相聯(lián)映射方式在這種方式下，將Cache分成2u組，每組包含2v塊。主存的塊與Cache的組之間采用直接相聯(lián)映射，而與組內(nèi)的各塊則采用全相聯(lián)映射。也就是說(shuō)，主存的某塊只能映射到Cache的特定組中的任意一塊。主存的某塊j與Cache的組k之間滿足如下關(guān)系：k＝j(luò)mod2u（4.3）設(shè)主存共有2s×2u塊（即M＝s+u），則它們的映射關(guān)系如下圖4-32示。圖4-32組相聯(lián)映射方式圖中，主存的塊0、2u、2u＋1、…、(2s-1)2u可以

7、映射到Cache的第0組的任意一塊，主存的塊1、2u+1、2u＋1+1、…、(2s-1)2u+1可以映射到Cache的第1組的任意一塊，……，主存的塊2u-1、2u＋1-1、…、2M-1可以映射到Cache的第2u-1組的任意一塊。在組相聯(lián)映射方式下，CPU的訪主存地址和訪Cache地址分別為如下形式：其中，u為Cache的組號(hào)，v為組內(nèi)的塊號(hào)。Cache的塊號(hào)C＝u+v，而主存的塊號(hào)M＝s+u。也就是說(shuō)，主存塊地址的后u位指出了主存的這一塊所能映射的Cache的組。與全相聯(lián)映射