Cache和主存之间的映像.doc

3.7.3 Cache和主存之间的映像方式 　　为了把信息放到Cache中，必须应用某种函数把主存地址映像到Cache中定位，称为地址映像（映射）。而将主存地址变换成Cache地址，称做地址变换，它们之间是密切相关的。常用的地址映像方式有三种，分别是全相联映像、直接映像和组相联映像。　　1．全相联映像　　全相联映像是指将内存和Cache按照固定的相同的大小进行分块。内存的块和Cache的块可以任意对应，即内存的任何一块都可以映像到Cache的任何一块。在Cache的存储空间被占满的情况下，也允许确实已被占满的Cache存储器中替换出任何一个旧块，具体如图3-14所示。　　2．直接映像　　直接映像先将Cache分成若干块，每个块的大小相同，并对每个块进行编号。同时根据Cache容量大小将内存分成若干区（页），每个区的容量都跟Cache的容量相同，然后对内存进行分块，每块的大小跟Cache块的大小相同，同样对区内的块进行编号。映像时，内存的某个区的块只能保存在与其块号相同的Cache块中。如图3-15所示，内存各区中的第0块只能映像到Cache的第0块，而不能映像到其他块。 3．组相联映像　　组相联映像实际上是直接映像和全相联映像的折中方案。组相联映像方式先将Cache分成大小相同的若干区（组），对每个区按照直接映像的方式进行分块，并且编号，因此，Cache中有多个编号相同的块。对内存按照Cache区的大小进行分页，再对每页按照Cache块的大小进行分块，每个内存块可以对应不同Cache区中的相同块号的块。如图3-16中内存第0页的第0块，可以对应Cache的第0区的第0块，也可以对应第j区的第0块。　　在三种方式中，全相联映像方式比较灵活，Cache的块冲突概率最低、空间利用率最高，但是地址变换速度慢，而且成本高，实现起来比较困难；直接映像方式是最简单的地址映像方式，成本低，易实现，地址变换速度快，而且不涉及其他两种映像方式中的替换算法问题。但这种方式不够灵活，Cache的块冲突概率最高、空间利用率最低；组相联映像实际上是全相联映像和直接映像的折中方案，其优点和缺点介于全相联和直接映像方式的优缺点之间。 知识点：Cache与主存地址映像 ? Cache和主存都被分成若干个大小相等的块，每块由若干个字节组成，主存和Cache的数据交换是以块为单位，需要考虑二者地址的逻辑关系。 ? 地址映像：把主存地址空间映像到Cache地址空间，即按某种规则把主存的块复制到Cache中。 ? 一、全相连映像 ? 主存中任何一个块均可以映像装入到Cache中的任何一个块的位置上。主存地址分为块号和块内地址两部分，Cache地址也分为块号和块内地址。Cache的块内地址部分直接取自主存地址的块内地址段。主存块号和Cache块号不相同，Cache块号根据主存块号从块表中查找。Cache保存的各数据块互不相关，Cache必须对每个块和块自身的地址加以存储。当请求数据时，Cache控制器要把请求地址同所有的地址加以比较，进行确认。 ? 特点：灵活，块冲突率低，只有在Cache中的块全部装满后才会出现冲突，Cache利用率高。但地址变换机构复杂，地址变换速度慢，成本高。 ? 公式： ????? 主存地址位数＝块号+块内地址； ????? Cache地址位数＝块号+块内地址。 ? 二、直接映像 ? 把主存分成若干区，每区与Cache大小相同。区内分块，主存每个区中块的大小和Cache中块的大小相等，主存中每个区包含的块的个数与Cache中块的个数相等。任意一个主存块只能映像到Cache中唯一指定的块中，即相同块号的位置。主存地址分为三部分：区号、块号和块内地址，Cache地址分为：块号和块内地址。直接映像方式下，数据块只能映像到Cache中唯一指定的位置，故不存在替换算法的问题。它不同于全相连Cache，地址仅需比较一次。 ? 特点：地址变换简单、速度快，可直接由主存地址提取出Cache地址。但不灵活，块冲突率较高，Cache空间得不到充分利用。 ? 公式： ???? 主存地址位数＝区号+区内分块号+块内地址； ???? Cache地址位数＝块号+块内地址。 ? 三、组相连映像 ? 组相连映像是前两种方式的折衷。主存按Cache容量分区，每个区分为若干组，每组包含若干块。Cache也进行同样的分组和分块。主存中一个组内的块数与Cache中一个组内的块数相等。组间采用直接方式，组内采用全相连方式。组的容量＝1时，即直接映像，组的容量＝整个Cache的容量时，即全相连映像。Cache的存在对于程序员透明，Cache的地址变换和数据块的替换算法都采用硬件实现。 ? 公式： ? 主存地址位数＝区号+组号+主存块号+块内地址； Cache地址位数＝组号+组内