Cache与主存的三种地址映射详细解读
前言
我们知道,Cache又叫做高速缓冲存储器, 它保存的是主存中的一部分数据。当CPU要访问数据时,它会同时发送地址给Cache和主存,如果在Cache中找到了想要的数据,则由Cache直接返回数据给CPU; 如果没有在Cache找到想要的数据,则由主存返回数据给CPU,同时会将该数据复制一份给Cache。而要怎么复制给Cache以及复制完怎么存放在Cache当中,这就涉及到了Cache与主存之间的地址映射方式。
1、三种地址映射的简单介绍
Cache与主存之间有三种映射方式,分别是 全相联映射、直接映射和组相联映射。
在讲解映射之前先来了解一下,“ 字、块、行 ” 这 3 个概念。
字 是 存放在一个存储单元里的机器数,由若干个比特位组成,具体字长取决于存储器的规格。也就是说它可以是 8 位组成一个字,也可以是 16 位、32 位、64 位,甚至是 1024 位组成 。
块 在主存中,若干个连续的字可以组成一块。
行 是指 Cache 中的一行,等同于主存中的一块。主存中一块的大小有多大,Cache中的一行就有多大。所以有时也会将 Cache 中的行称为块,这点注意一下即可。
okay , 下面让我们来了解一下三种地址映射叭!
(1)、全相联映射
在全相联映射中,我们将主存分成了 m 块,将 Cache 分成了 n 行,Cache中的一行可以存放主存中的任意一块,如图 (1)。而反过来呢,主存中的一块可以存放在 Cache 中的任意一行,如图 (2) 。Cache 和主存之间是多对多的关系,也就是说 Cache 中的任意一行可以存放主存中的任意一块,这就是全相联映射方式。
图 (1)
图 (2)
(2)、直接映射
在直接映射中,我们将主存中分成了 m 块,每若干块组成了一个区,其中一个区中的块数取决于Cache中的行数。 Cache 中有多少行,我们的一个区就由多少块组成。(这里为了方便以 Cache 中只有 4 行举例,因为 Cache 只有 4 行,所以我们一个区也由 4 块组成 )
如下图所示,在直接映射中,每个区的第 0 块只能映射到Cache中的第 0 行,每个区的第 3 块只能映射到Cache中的第 3 行,也就是说 主存中每个区的第 i 块会映射到Cache中的第 i 行,Cache 与主存之间是一对多的关系,这就是直接映射方式。( 这里也是为了方便,第 1 行和第 2 行的线没画,怕线多了太乱 )
(3)、组相联映射
通过上面的介绍,我们已经认识了全相联映射和直接映射,可以看出,采用全相联映射时,Cache中 的数据存放没有规律,CPU 要查找数据时只能对 Cache 进行遍历;而直接相联映射虽然具有一定的规律,但是 Cache 中的每一行只能存放主存中的一块,使得我们如果要查找的数据在某一行找不到,只能去主存找,这样也会使 CPU 去频繁地访问主存。因此有了第三种地址映射方式——组相联映射,它 是全相联映射与直接映射之间的折中方式。
组相联映射基本和直接映射一样,也是将主存划分成了很多个区,唯一的不同就是 Cache 中若干个连续的行组成了一组,如下图所示。其中每个区中的第 i 块对应Cache中的第 i 组( 在直接映射中是每个区中的第 i 块对应Cache中的第 i 行,这点注意 ),在组相联映射中,我们可以将主存中每个区的一块随意存放在 Cache 中某一组的任意一行中。
好啦,这便是三种地址映射的简单工作原理,下面让我们来看一下三种映射的主存地址格式。
2、三种映射的主存地址格式
s 代表块地址,w 代表字地址(也叫块内地址),r 代表行地址,d 代表组地址,s - r 和 s - d 代表了区地址。
①全相联映射
②直接映射
③组相联映射
好的,现在来解释一下这些符号的意思,我们知道主存中有很多个字,现在假设主存中只有 8 个字,那么我们需要用多少位比特位来选择这 8 个字呢?
答案是 3,因为 23 = 8 ,用 3 位数字便可以表示从 000 ~ 111 这 8 种情况,所以当我们的字地址为 w 位时,则可以表示 一块中含有 2w 个字。同理:
当我们的块地址为 s 位时,则可以表示主存中有 2s 块 。
当我们的行地址为 r 位时,则可以表示 Cache 中有 2r 行 。
当我们的组地址为 d 位时,则可以表示 Cache 中有 2d 组 。
当我们的标记为 s - r 或 s - d 位时,则可以表示主存中有 2s-r 或 2s-d 个区 。
补充:
我们知道了块地址有 s 位,字地址有 w 位,那么便可以知道主存中含有多少个字或者说含有多少个存储单元。
因为 “ 块数 * 每块的字数 = 总字数 ” 即 2s * 2w = 2s+w , 所以 主存中共有 2s+w 个存储单元。
3、Cache的地址格式
在三种主存的地址格式中,其实也蕴含了 Cache 的地址格式,我们知道,Cache中一行的大小和主存中一块的大小是一样的,所以Cache和主存的字地址位数相等。
①采用全相联映射时,Cache 也有块地址来标识 Cache 中有多少块,因此 全相联映射时,Cache 的地址格式和主存的地址格式一样,由 s 和 w 构成。
②采用直接相联映射时,由于 Cache 没有区,所以 Cache的地址格式由 r 和 w 构成。
③采用组组相联映射时,Cache的地址格式由 d 和 w 构成。
以上笔记源于书本自己琢磨出来的,供大家学习交流,如果错误之处,欢迎指正!
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