主存與cache的地址映射關(guān)系

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1、主存與Cache的地址映射?CPU對(duì)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)，通常是一次讀寫(xiě)一個(gè)字單元。當(dāng)CPU訪Cache不命中時(shí)，需將存儲(chǔ)在主存中的字單元連同其后若干個(gè)字一同調(diào)入Cache中，之所以這樣做，是為了使其后的訪存能在Cache中命中。因此，主存和Cache之間一次交換的數(shù)據(jù)單位應(yīng)該是一個(gè)數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)塊的大小是固定的，由若干個(gè)字組成，且主存和Cache的數(shù)據(jù)塊大小是相同的。?從Cache-主存層次實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)看，一方面既要使CPU的訪存速度接近于訪Cache的速度，另一方面為用戶程序提供的運(yùn)行空間應(yīng)保持為主存容量大小的存儲(chǔ)空間。在采用Cache-

2、主存層次的系統(tǒng)中，Cache對(duì)用戶程序而言是透明的，也就是說(shuō)，用戶程序可以不需要知道Cache的存在。因此，CPU每次訪存時(shí)，依然和未使用Cache的情況一樣，給出的是一個(gè)主存地址。但在Cache-主存層次中，CPU首先訪問(wèn)的是Cache，并不是主存。為此，需要一種機(jī)制將CPU的訪主存地址轉(zhuǎn)換成訪Cache地址。而主存地址與Cache地址之間的轉(zhuǎn)換是與主存塊與Cache塊之間的映射關(guān)系緊密聯(lián)系的，也就是說(shuō)，當(dāng)CPU訪Cache未命中時(shí)，需要將欲訪問(wèn)的字所在主存中的塊調(diào)入Cache中，按什么樣的策略調(diào)入，直接影響到主存地址與Cach

3、e地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這也就是本小節(jié)要解決的主存與Cache的地址映射問(wèn)題。?主要有三種地址映射方式，分別為全相聯(lián)映射、直接相聯(lián)映射和組相聯(lián)映射。?1.全相聯(lián)映射?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。

4、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)

5、，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??????????????????????????

6、?????（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)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

7、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Cache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

8、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