Cache地址映射與計算方式

什麼是Cache地址映射

主存的容量比Cache要大的多，因此咱們得采用多個主存塊映射到同一個Cache行中的方法，將要訪問的局部主存區域取到Cache中。映射方法有：直接映射，全相聯映射，組相鏈映射

直接映射

直接映射是最簡單粗暴的辦法：

(塊地址)mod(cache中的塊數)

每一個存儲器地址僅僅對應到Cache中的一個位置。

第0，16，n*16塊由於mod16都爲0，因此他們對應到的Cache行號都爲0。

知道了映射方法，那麼如何規定主存地址呢？其實對於取模運算，咱們只須要去低位字節就能夠了。在十進制裏面若是對16取餘，那麼結果確定不會大於15，而且確定是兩位數之內。

好比說Cache有16行，16是2的4次方，那麼咱們就能夠直接取主存塊號的低四位做爲Cache行號。

但當咱們讀取某一個緩存行時，咱們怎麼知道他是0塊羣的仍是其餘塊羣的呢？其實正如主存塊號中包含了Cache行號同樣，其低四位以前的高位就能夠做爲區分的Tag(主存標記)使用。最後一點就是，CPU讀取數據只是要讀取它須要的字(Word)而已，那麼這個字具體是在Cache line的哪裏，咱們還須要一個偏移量來紀錄它。因此直接映射的主存地址應該由三部分組成：主存子塊標記，Cache子塊標記，子塊內地址。

如今咱們來本身動手作一作：假設數據在主存和Cache間的傳送單位爲512B，Cache大小爲2^13B，主存大小爲2^20B。

由於主存大小爲2^20B,且以512B爲傳送單位。那麼2^20B=2048塊 * 512B/塊，主存能夠劃分爲2048塊，主存地址爲20位二進制數。由於咱們須要肯定要取的是塊中的哪一個字，又512=2^9，因此須要9位做爲偏移量，或者說塊內地址。 Cache能夠劃分出16行(2^13=16行 * 512B/行)，也就是說劃出4位做爲行號標記，或者說Cache字塊地址。剩下的7位天然就做爲主存字塊標記啦。

優缺點：

• 電路實現簡單，命中時間短
• 無需考慮替換問題
• Cache的存儲空間沒有獲得充分使用，命中率低

全相聯映射

針對直接映射Cache空間利用率低的問題，咱們有一種簡單粗暴的辦法提高空間的利用率。那就是主存中的任意一塊均可以映射到Cache中的任意一個位置。有空位置你就坐下，隨意。

那麼咱們惟一要作的就是知道Cache中是對應主存中的哪一塊和字塊內地址就行。由於是隨便映射，因此咱們把直接映射中的Cache字塊標記合併到主存字塊標記中。

全相聯映射主存地址只有兩部分：主存字塊標記，字塊內地址。

優缺點：

• 不存在衝突缺失，命中率高
• 電路複雜，速度慢

組相聯映射

綜合前兩種方法的就是組相聯映射，具體作法是：將Cache中的行分組，主存塊映射到固定的行中，但行中的位置能夠隨意。也就是組間直接映射，組內全相聯映射。

Cache組號=主存塊號 mod Cache組數

那麼問題來了怎麼肯定Cache中的字塊是對應主存的那一塊呢？首先咱們仍須要字塊內地址，須要區分組號，那麼剩下的地址就能夠做爲主存字塊標記使用。

好比說：容量爲64塊的Cache，採用組相聯方式映像，字塊大小爲128字，每4塊爲一組。若主存容量爲4096塊，且以字編址，那麼主存地址該如何劃分？

由於4096=2^19，因此主存地址應該爲19位，Cache總共有16組，因此須要4位肯定組號。又字塊大小爲128字，128=2^7，全部字塊內地址爲7位，剩下的19-7-4=8位做爲主存字塊標記。

優缺點：

• 電路較簡單，速度較快，命中率較高，屬於比較理想的方式