cache和主存的三種映射方式

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1、Cache與主存之間的全相聯(lián)映射，直接映射和組相聯(lián)映射的區(qū)別1.高速緩沖存儲(chǔ)器的功能、結(jié)構(gòu)與工作原理　　高速緩沖存儲(chǔ)器是存在于主存與CPU之間的一級(jí)存儲(chǔ)器，由靜態(tài)存儲(chǔ)芯片(SRAM)組成，容量比較小但速度比主存高得多，接近于CPU的速度。Cache的功能是用來(lái)存放那些近期需要運(yùn)行的指令與數(shù)據(jù)。目的是提高CPU對(duì)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)速度。為此需要解決2個(gè)技術(shù)問(wèn)題：一是主存地址與緩存地址的映象及轉(zhuǎn)換；二是按一定原則對(duì)Cache的內(nèi)容進(jìn)行替換?！　ache的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2.3.1所示。??主要由三大部分組成：　　Cache存儲(chǔ)體：存放由主存調(diào)入的指令與數(shù)據(jù)塊。　　

2、地址轉(zhuǎn)換部件：建立目錄表以實(shí)現(xiàn)主存地址到緩存地址的轉(zhuǎn)換?！　√鎿Q部件：在緩存已滿時(shí)按一定策略進(jìn)行數(shù)據(jù)塊替換，并修改地址轉(zhuǎn)換部件。2.地址映象與轉(zhuǎn)換　　地址映象是指某一數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的地址與在緩沖中的地址，兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。下面介紹三種地址映象的方式?！　?.全相聯(lián)方式　　地址映象規(guī)則：主存的任意一塊可以映象到Cache中的任意一塊　　(1)主存與緩存分成相同大小的數(shù)據(jù)塊?！　?2)主存的某一數(shù)據(jù)塊可以裝入緩存的任意一塊空間中?！　∪嗦?lián)方式的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2.3.2所示。如果Cache的塊數(shù)為Cb，主存的塊數(shù)為Mb，則映象關(guān)系共有Cb×Mb種。??圖2.3.3

3、示出了目錄表的格式及地址變換規(guī)則。目錄表存放在相關(guān)（聯(lián)）存儲(chǔ)器中，其中包括三部分：數(shù)據(jù)塊在主存的塊地址、存入緩存后的塊地址、及有效位（也稱裝入位）。由于是全相聯(lián)方式，因此，目錄表的容量應(yīng)當(dāng)與緩存的塊數(shù)相同。?舉例：某機(jī)主存容量為1M，Cache的容量為32KB，每塊的大小為16個(gè)字（或字節(jié)）。劃出主、緩存的地址格式、目錄表格式及其容量?！　　　　　∪萘浚号c緩沖塊數(shù)量相同即211＝2048（或32K/16＝2048）。　　優(yōu)點(diǎn)：命中率比較高，Cache存儲(chǔ)空間利用率高?！　∪秉c(diǎn)：訪問(wèn)相關(guān)存儲(chǔ)器時(shí)，每次都要與全部?jī)?nèi)容比較，速度低，成本高，因而應(yīng)用少?！　?.直接

4、相聯(lián)方式　　地址映象規(guī)則：主存儲(chǔ)器中一塊只能映象到Cache的一個(gè)特定的塊中。　　(1)主存與緩存分成相同大小的數(shù)據(jù)塊?！　?2)主存容量應(yīng)是緩存容量的整數(shù)倍，將主存空間按緩存的容量分成區(qū)，主存中每一區(qū)的塊數(shù)與緩存的總塊數(shù)相等?！　?3)主存中某區(qū)的一塊存入緩存時(shí)只能存入緩存中塊號(hào)相同的位置?！　D2.3.4示出了直接相聯(lián)映象規(guī)則。可見(jiàn)，主存中各區(qū)內(nèi)相同塊號(hào)的數(shù)據(jù)塊都可以分別調(diào)入緩存中塊號(hào)相同的地址中，但同時(shí)只能有一個(gè)區(qū)的塊存入緩存。由于主、緩存塊號(hào)相同，因此，目錄登記時(shí)，只記錄調(diào)入塊的區(qū)號(hào)即可。?　　圖2.3.5示出了主、緩沖地址格式、目錄表的格式及地址變

5、換規(guī)則。主、緩存塊號(hào)及塊內(nèi)地址兩個(gè)字段完全相同。目錄表存放在高速小容量存儲(chǔ)器中，其中包括二部分：數(shù)據(jù)塊在主存的區(qū)號(hào)和有效位。目錄表的容量與緩存的塊數(shù)相同。?　　地址變換過(guò)程：用主存地址中的塊號(hào)B去訪問(wèn)目錄存儲(chǔ)器，把讀出來(lái)的區(qū)號(hào)與主存地址中的區(qū)號(hào)E進(jìn)行比較，比較結(jié)果相等，有效位為1，則Cache命中，可以直接用塊號(hào)及塊內(nèi)地址組成的緩沖地址到緩存中取數(shù)；比較結(jié)果不相等，有效位為1，可以進(jìn)行替換，如果有效位為0，可以直接調(diào)入所需塊?！　?yōu)點(diǎn)：地址映象方式簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)，只需檢查區(qū)號(hào)是否相等即可，因而可以得到比較快的訪問(wèn)速度，硬件設(shè)備簡(jiǎn)單?！　∪秉c(diǎn)：替換操作頻繁，

6、命中率比較低?！　∨e例：上例中，主存容量為1M，Cache的容量為32KB，每塊的大小為16個(gè)字（或字節(jié)）。劃出主、緩存的地址格式、目錄表格式及其容量。?　　容量：與緩沖塊數(shù)量相同即211＝2048（或32K/16＝2048）。　　3.組相聯(lián)映象方式　　組相聯(lián)的映象規(guī)則：　　(1)主存和Cache按同樣大小劃分成塊?！　?2)主存和Cache按同樣大小劃分成組?！　?3)主存容量是緩存容量的整數(shù)倍，將主存空間按緩沖區(qū)的大小分成區(qū)，主存中每一區(qū)的組數(shù)與緩存的組數(shù)相同?！　?4)當(dāng)主存的數(shù)據(jù)調(diào)入緩存時(shí)，主存與緩存的組號(hào)應(yīng)相等，也就是各區(qū)中的某一塊只能存入緩存的同

7、組號(hào)的空間內(nèi)，但組內(nèi)各塊地址之間則可以任意存放，即從主存的組到Cache的組之間采用直接映象方式；在兩個(gè)對(duì)應(yīng)的組內(nèi)部采用全相聯(lián)映象方式?！　D2.3.6示出了組相聯(lián)的映象關(guān)系，圖中緩存共分Cg個(gè)組，每組包含有Gb塊；主存是緩存的Me倍，所以共分有Me個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)有Cg組，每組有Gb塊。那么，主存地址格式中應(yīng)包含4個(gè)字段：區(qū)號(hào)、區(qū)內(nèi)組號(hào)、組內(nèi)塊號(hào)和塊內(nèi)地址。而緩存中包含3個(gè)字段：組號(hào)、組內(nèi)塊號(hào)、塊內(nèi)地址。主存地址與緩存地址的轉(zhuǎn)換有兩部分，組地址是按直接映象方式，按地址進(jìn)行訪問(wèn)，而塊地址是采用全相聯(lián)方式，按內(nèi)容訪問(wèn)。組相聯(lián)的地址轉(zhuǎn)換部件也是采用相關(guān)存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)

8、圖2.3.7。　　相關(guān)存儲(chǔ)器中每個(gè)單元包含有：主存地