Cache地址映射与计算方式

什么是Cache地址映射

主存的容量比Cache要大的多，因此咱们得采用多个主存块映射到同一个Cache行中的方法，将要访问的局部主存区域取到Cache中。映射方法有：直接映射，全相联映射，组相链映射

直接映射

直接映射是最简单粗暴的办法：

(块地址)mod(cache中的块数)

每一个存储器地址仅仅对应到Cache中的一个位置。

第0，16，n*16块由于mod16都为0，因此他们对应到的Cache行号都为0。

知道了映射方法，那么如何规定主存地址呢？其实对于取模运算，咱们只须要去低位字节就能够了。在十进制里面若是对16取余，那么结果确定不会大于15，而且确定是两位数之内。

好比说Cache有16行，16是2的4次方，那么咱们就能够直接取主存块号的低四位做为Cache行号。

但当咱们读取某一个缓存行时，咱们怎么知道他是0块群的仍是其余块群的呢？其实正如主存块号中包含了Cache行号同样，其低四位以前的高位就能够做为区分的Tag(主存标记)使用。最后一点就是，CPU读取数据只是要读取它须要的字(Word)而已，那么这个字具体是在Cache line的哪里，咱们还须要一个偏移量来纪录它。因此直接映射的主存地址应该由三部分组成：主存子块标记，Cache子块标记，子块内地址。

如今咱们来本身动手作一作：假设数据在主存和Cache间的传送单位为512B，Cache大小为2^13B，主存大小为2^20B。

由于主存大小为2^20B,且以512B为传送单位。那么2^20B=2048块 * 512B/块，主存能够划分为2048块，主存地址为20位二进制数。由于咱们须要肯定要取的是块中的哪一个字，又512=2^9，因此须要9位做为偏移量，或者说块内地址。 Cache能够划分出16行(2^13=16行 * 512B/行)，也就是说划出4位做为行号标记，或者说Cache字块地址。剩下的7位天然就做为主存字块标记啦。

优缺点：

• 电路实现简单，命中时间短
• 无需考虑替换问题
• Cache的存储空间没有获得充分使用，命中率低

全相联映射

针对直接映射Cache空间利用率低的问题，咱们有一种简单粗暴的办法提高空间的利用率。那就是主存中的任意一块均可以映射到Cache中的任意一个位置。有空位置你就坐下，随意。

那么咱们惟一要作的就是知道Cache中是对应主存中的哪一块和字块内地址就行。由于是随便映射，因此咱们把直接映射中的Cache字块标记合并到主存字块标记中。

全相联映射主存地址只有两部分：主存字块标记，字块内地址。

优缺点：

• 不存在冲突缺失，命中率高
• 电路复杂，速度慢

组相联映射

综合前两种方法的就是组相联映射，具体作法是：将Cache中的行分组，主存块映射到固定的行中，但行中的位置能够随意。也就是组间直接映射，组内全相联映射。

Cache组号=主存块号 mod Cache组数

那么问题来了怎么肯定Cache中的字块是对应主存的那一块呢？首先咱们仍须要字块内地址，须要区分组号，那么剩下的地址就能够做为主存字块标记使用。

好比说：容量为64块的Cache，采用组相联方式映像，字块大小为128字，每4块为一组。若主存容量为4096块，且以字编址，那么主存地址该如何划分？

由于4096=2^19，因此主存地址应该为19位，Cache总共有16组，因此须要4位肯定组号。又字块大小为128字，128=2^7，全部字块内地址为7位，剩下的19-7-4=8位做为主存字块标记。

优缺点：

• 电路较简单，速度较快，命中率较高，属于比较理想的方式