参考：《计算机组成原理》（第五版） 白中英等著

准备工作：

①cache与主存之间的数据交换是以“块”为单位进行的。一个“块”中包含若干个“字”，字长由实际情况确定。

习惯上，cache中的“块”称“行”，主存中称“块”。cache的“行”与主存的“块”存储容量相同。

②相联存储表（CAM）是一种按内容寻址的存储器。下面所提到的标记（tag）存于该存储器中。

③cache中的标记tag与cache的“行”一一对应的。如果某一块主存数据块拷贝到cache中的某一行，该cache行就会形成相应的标记tag。

三种地址映射方式：①全相联映射方式、②直接映射方式、③组相联映射方式

①全相联映射方式：

理念：主存中的一块可以拷贝到cache中的任意一行。

通俗理解：对于主存中的数据块可以拷贝到cache中的哪一行不做硬性规定。

主存地址格式：主存块号+块内偏移地址

cache地址格式： cache行号+行内偏移地址

cache标记tag：主存块号

映射过程（地址变换过程）：

CPU提供一内存地址给cache，cache中的“控制逻辑”将“主存地址格式”中的“主存块号”与cache中所有行的标记tag进行同时比较。

如果存在相同的，即表示“命中”，根据“块内偏移地址”找到相应的字。

如果不存在相同的，即表示“未命中”，那么将会到主存中寻找。

优点：该映射方式下，块冲突的概率低，cache利用率高。

缺点：硬件控制复杂，尤其是用于比较“主存块号”与tag时的比较器电路难于设计与实现。

适用情况：小容量的cache

②直接映射方式：

理念：一个主存块只能拷贝到cache的一个特定行位置去。

通俗理解：相当于将主存空间按cache的大小（行数）进行分区（说“分组”也可以），主存分区（组）后，每区（组）中的数据块数目与cache的行数一致。

将每一区（组）的数据块在区（组）内重新进行编号。使区（组）内各块只能映射到与它区（组）内编号相同的cache行去。

举例：假设现有主存-cache体系。cache共4行，主存共16块。cache的4行编号分别为L0~L3，主存的16块编号分别为B0~B15。如下图所示：

a、首先将主存按照cache的大小进行分区（组）：16/4=4（组），即将主存分为4组，编号分别为G0~G3，这样每组中拥有与cache行数相同的数据块。

b、对每组内的数据块进行“组内重新编号”，即B0变为G0的b0，B1变为G0的b1，B2变为G0的b2，B3变为G0的b3；B4变为G1中的b0，B5变为G1中的b1，B6变为G1中的b2，B7变为G1中的b3。依次类推。

c、这样，组内编号为b0的主存块如果需要拷贝至cache，只能放置到L0；b1只能拷贝到L1；b2只能拷贝到L2；b3只能拷贝到L3。如上图所示，相同颜色的说明可以进行拷贝。

主存地址格式：主存组号+组内块号+块内偏移地址

cache地址格式：cache行号+行内偏移地址

cache标记tag：映射到该行的主存块的主存地址的“组号”

映射过程（地址变换过程）：

CPU提供一内存地址给cache，相关的逻辑根据内存地址中的“组内块号”确定该主存块如果发生拷贝会被拷贝到哪一行；

然后，将内存地址中的“主存组号”与上步确定的cache行的标记tag进行比较，如果存在相同的即“命中”，如果不存在相同的即“未命中”。

优点：硬件简单，容易实现，成本低。

缺点：发生块冲突的概率较大，导致cache的命中率、效率下降。

适用情况：大容量的cache，更多的行数可以减小冲突发生的机会。

③组相联映射方式：

理念：是直接映射方式与全相联映射方式的折衷方案，适度地兼顾了二者的优点又避免二者的缺点。

将cache的空间分为若干组，主存块与cache组之间直接映射，而组内各块之间全相联映射。

关键：cache的分组数=主存每一组的块数

相关概念：

v路组相联cache：说明该cache采用组相联映射方式且cache的每组有v行。v一般取值较小，典型的有2、4、8、16。

举例：假设有主存-cache体系，cache共4行，主存共16块。cache的4行编号为：L0~L3，主存的16块编号为B0~B15。采用2路组相联映射。如下图所示：

a、cache共4行，采用2路组相联映射，即将cache分为2组G0~G1，每组2行。

b、cache的分组数=主存每一组的块数，即将主存分为8组g0~g7，每组2块。

c、主存组内进行重新编号b0、b1，如上图所示

d、凡是组内编号为b0的主存块，可以拷贝至cache的G0组，至于是2行中的哪一行，是随机的无硬性规定的。依次类推，组内编号b1的主存块可以拷贝至G1组

主存地址格式：主存组号+组内块号+块内偏移地址

cache地址格式：cache组号+组内行号+行内偏移地址

cache标记tag：组号

映射过程（地址变换过程）：

CPU提供一内存地址给cache，相关逻辑根据地址中的“组内块号”部分确定主存块如果发生拷贝将会被放置到cache的哪一组中；

然后，将地址中的“主存组号”与上步所确定的那一组中所有行的tag同时进行比较，如果存在相同的即“命中”，如果不存在相同的即为“未命中”。

该映射方式实现较为容易，块冲突概率比直接映射方式低，命中率介于直接映射方式与全相联映射方式之间。被普遍采用。