Cache和主存地址對映關係
阿新 • • 發佈：2019-02-03
知識點：Cache與主存地址映像
Cache和主存都被分成若干個大小相等的塊，每塊由若干個位元組組成，主存和Cache的資料交換是以塊為單位，需要考慮二者地址的邏輯關係。
地址映像：把主存地址空間映像到Cache地址空間，即按某種規則把主存的塊複製到Cache中。
一、全相連映像
主存中任何一個塊均可以映像裝入到Cache中的任何一個塊的位置上。主存地址分為塊號和塊內地址兩部分，Cache地址也分為塊號和塊內地址。Cache的塊內地址部分直接取自主存地址的塊內地址段。主存塊號和Cache塊號不相同，Cache塊號根據主存塊號從塊表中查詢。Cache儲存的各資料塊互不相關，Cache必須對每個塊和塊自身的地址加以儲存。當請求資料時，Cache控制器要把請求地址同所有的地址加以比較，進行確認。
特點：靈活，塊衝突率低，只有在Cache中的塊全部裝滿後才會出現衝突，Cache利用率高。但地址變換機構複雜，地址變換速度慢，成本高。
公式： 主存地址位數＝塊號+塊內地址； Cache地址位數＝塊號+塊內地址。
二、直接映像
把主存分成若干區，每區與Cache大小相同。區內分塊，主存每個區中塊的大小和Cache中塊的大小相等，主存中每個區包含的塊的個數與Cache中塊的個數相等。任意一個主存塊只能映像到Cache中唯一指定的塊中，即相同塊號的位置。主存地址分為三部分：區號、塊號和塊內地址，Cache地址分為：塊號和塊內地址。直接映像方式下，資料塊只能映像到Cache中唯一指定的位置，故不存在替換演算法的問題。它不同於全相連Cache，地址僅需比較一次。
特點：地址變換簡單、速度快，可直接由主存地址提取出Cache地址。但不靈活，塊衝突率較高，Cache空間得不到充分利用。
公式： 主存地址位數＝區號+區內分塊號+塊內地址； Cache地址位數＝塊號+塊內地址。
三、組相連映像
組相連映像是前兩種方式的折衷。主存按Cache容量分割槽，每個區分為若干組，每組包含若干塊。Cache也進行同樣的分組和分塊。主存中一個組內的塊數與Cache中一個組內的塊數相等。組間採用直接方式，組內採用全相連方式。組的容量＝1時，即直接映像，組的容量＝整個Cache的容量時，即全相連映像。Cache的存在對於程式設計師透明，Cache的地址變換和資料塊的替換演算法都採用硬體實現。
公式：主存地址位數＝區號+組號+主存塊號+塊內地址；
Cache地址位數＝組號+組內塊號+塊內地址。
四、主存地址和Cache地址的相關計算
主存地址的位數A由主存容量N決定 A＝log2N=區號位數＋塊號位數＋塊內地址位數
Cache地址的位數B由Cache容量H決定B＝LOG2H＝塊號位數＋塊內地址位數
區號根據Cache容量劃分，區號長度＝主存地址位數－Cache地址位數
主存的塊號和Cache塊號的長度相同，位數K取決於Cache中能容納的個數J，K＝LOG2J
主存的塊內地址和Cache的塊內地址長度相同，位數M取決於塊的容量 Q ， M＝LOG2Q
例題解析：
方法一：
分割槽數＝主存容量／Cache容量＝4096／64＝64；
區內分組數=64/4=16;
組內分塊數＝4塊／組；
塊內地址＝128位元組；
所以根據公式：
主存地址位數＝6+4+2+7＝19；
主存區號＝6位。
方法二：
主存地址的位數A由主存容量N決定
A＝log2N=區號位數＋塊號位數＋塊內地址位數
所以：
A＝LOG2N＝LOG2（4096*128）＝LOG2（2^12*2^7）＝LOG2（2^19）＝19；
Cache地址的位數B由Cache容量H決定 B＝LOG2H＝塊號位數＋塊內地址位數
所以： B＝LOG2（64*128）＝13.區號的計算方法同上！
方法三：
主存地址＝主存塊地址+塊內地址＝12+7＝19；
主存區號地址＝主存塊地址-Cache塊地址＝12-6＝6.