【复习笔记】Cache的映像方法

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:
1. 直接映像法
2. 全相联映像法
3. 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，共1MB/16KB=64区
所以主存地址为6位区号（共64区）+5位区内块号（共32块）+9位块内地址（块容量512B，按字节编址）
所以Cache地址为5位区内块号，9内块内地址（相当于主存的一个区）
自然的，块表的容量为32*6位（表示Cache32个块中分别存了第几区的主存块）
图使用教材上的图吧：

特点：冲突多，命中率低，使用率低。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（不是区内块号），每次访存的时候查表访问。

方法简单，例题略。

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：

• 是前两种方法的组合，结合了各自的优点。
• 将Cache分组，内存分区。内存区内的块数和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。

（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）
教材中的图：
7B568H=（二进制）11110110 1010 1101000 //按8421码翻译，前面的0舍弃，然后按内存格式分组
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。