计算机组成原理学习笔记————Cache主存地址映射

Cache——主存地址映射

由主存地址映射到Cache地址称为地址映射。映射方式很多，有直接映射，全相联映射、组相联映射。 映射就是指将主存地址中的某一块儿加载到Cache地址中，并指定某一块。

直接映射

主存当中任意一个块只能映射到Cache中某一个指定的块。如图：

图中每个主存块只与一个缓存块相对应，映射关系为**i = j mod C 或 i = j mod 2^c ** i为缓存块号，j为主存块号，C为缓存块数。映射结果表明每个缓存块对应若干个主存块。

具体实现过程

1. 根据Cache存储体大小，将主存分成若干个与Cache存储体大小相同的区。如图中Cache有2^c-1个块，则主存被分为若干个含有2^c-1个块的区。每个区中的块的编号与Cache中的编号相同，并且一一对应。因此，Cache中的一个块对应了主存中的若干个块的位置，主存中的块要存储到Cache中时只能根据这样的对应关系存储到Cache中唯一的一块中。
2. 对于CPU给出的地址，可以分为三部分，分别是：区号、块号、块内偏移地址。区号就是上图中的t位主存子块标记 块号就是c位Cache字块地址，块内偏移地址就是b位字块内地址。
3. Cache存储体中的t位标记存储了主存储体中对应的区号。对CPU给出的地址，可以根据块号在Cache中直接找到对应的块，然后再通过比较器比较地址给出的区号是否与Cache存储体中标记的区号一致，一致则说明CPU给出的地址已经保存到了Cache中，可直接获取地址中的指令或数据，若不一致，说明地址还未保存到Cache中，则需访问主存。

计算机组成原理(第2版)唐朔飞 中的解释：

缺点

不够灵活，每个主存块只能固定的对应某个缓存块，即使缓存内还空着许多位置也不能占用，使缓存的存储空间得不到充分的利用。此外，如果程序恰好要重复访问对应同一缓存位置的不同主存块，就要不停的进行替换，而且降低命中率。

对映射关系式i = j mod C的解释

映射关系为**i = j mod C 或 i = j mod 2^c ** i为缓存块号，j为主存块号，C为缓存块数。中文描述就是 缓存中块地址=主存块地址 mod Cache中的块数
一个块数为8的Cache，取模运算之后得到的就是主存块地址中的第三位。例如存储器地址11101被映射到Cache中的101位置，如下图：

从图中可以看出一个CPU给出的地址的地位是用来检索到Cache中的位置，那如何判断该位置的数据是否为CPU所请求的字呢？ 因此有了标记，即直接映射图中的高t为主存块标记。以上图中的映射关系为例，存储器地址11101的低三位用来映射到Cache，那么高两位就用来作为标记。

对有效位的解释

当一个处理器启动时，Cache中没有数据，则标记域中的值没有意义。甚至在执行一些指令后，Cache中的一些块依然为空，则这些块中的标记应该被忽略。因此增加了有效位，用来识别Cache存储块中的数据是否有效，因为有时Cache中的数据是无效的。 如果该位没有置1，则不能使用该块中的内容。

地址划分

对于CPU给出的每个可能地址，在Cache中如何进行查找，地址的地位用来找到Cache中与该地址匹配的唯一项。如下图：将一个地址划分为
**标记域：**用来与Cache中标记域的值进行比较。

Cache索引： 用来选择块。

对这个cache,地址的低位用来选择由数据字和标记组成的一个cache项。这个cache中有1 024个字，即4KiB。假设使用32位的地址。cache 中的标记与地址高位相比较，判断cache中的项是否符合请求的地址。由于cache有210 (1024) 个字，块大小为1个字，因此，索引cache需要10位，剩下的32- 10-2= 20位用来和标记相比较。如果标记和地址的高20位相等，并且有效位开启，那么请求在cache中命中，相应的字被提供给处理器。否则，发生缺失。

全相联映射

全相联映射允许主存中每一个字块映射到Cache中任何一块位置。如下图。

如图，主存储器中的块可能映射到Cache中的任意一个位置。所以当CPU放访问主存时，需将给出地址中的主存字块标记与Cache存储器中的全部标记进行比较，如果有相等的标记，则命中，否则未命中，需进行替换。

优点

方式灵活，命中率更高，缩小了块冲突率。 逻辑电路多，成本高。

缺点

与直接映射相比，主存字块标记的位数变成了t+c位，进行比较的比较器位数增加。需和Cache中全部标记进行比较才能判断所访问地址内容是否已经在Cache中。

组相联映射

组相联映射是直接映射和全相联映射的一种折中方式。

首先将Cache分成若干个块，再对块进行分组，假设分成r个组，组内块的数量不固定。 然后对主存进行分区，区数与Cache中的组数相同，即r组。主存中每个区的块可以存储到Cache对应组中的任意一块。所以，主存中某个块所在的区号直接决定了它能够映射到Cache中的哪个组。

优点

一个块能映射的位置有多个，与直接映射的一一对应关系相比，更不容易冲突。 在判断主存中某一个块是否已在Cache中，只需根据地址所在的区号找到Cache中对应的组，再根据组内块的标记比较区号是否对应。不需要和每一个Cache进行比较。与全相联映射相比，比较次数更少。

Cache缺失处理

Cache缺失：由于数据不在Cache中而导致被请求的数据不能满足。
缺失就是未命中，Cache中没有CPU要访问的地址。
Cache缺失处理主要有两部分组成：处理器控制单元，以及一个进行初始化主存访问和重新填充Cache的独立控制器。

Cache缺失处理步骤：

1. 把程序计数器(PC)的原始值(当前PC-4)送到存储器中。
2. 通知主存执行- -次读操作，并等待主存访问完成。
3. 写cache项，将从主存取回的数据写人cache中存放数据的部分，并将地址的高位(从ALU中得到)写人标记域，设置有效位。
4. 重启指令执行第-一步，重新取指,这次该指令在cache中。数据访问时对cache 的控制基本相同:发生缺失时，处理器发生阻塞，直到从存储器中取回数据后才响应。.