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3.5.3 Cache和主存的映射方式
​ Cache 行中的信息是主存中某个块的副本，地址映射是指把主存地址空间映射到Cache地址空间，即把存放在主存中的信息按照某种规则装入Cache。

​ 由于Cache行数比主存块数少得多，因此主存中只有一部分块的信息可放在Cache中，因此在Cache中要为每块加一个标记，指明它是主存中哪一块的副本。该标记的内容相当于主存中块的编号。为了说明Cache行中的信息是否有效，每个Cache行需要一个有效位。

 

全相联映射

​ 主存中的每一块可以装入Cache中的任何位置，每行的标记用于指出该行取自主存的哪一块，所以CPU访存时需要与所有Cache行的标记进行比较。

 

优点：比较灵活，Cache块的冲突概率低，空间利用率高，命中率也高

缺点：标记的比较速度较慢，实现成本较高，通常需采用昂贵的按内容寻址的相联存储器进行地址映射。

全相联映射的地址结构为

 

直接映射

主存块只能放到特定的某个Cache行，若这个位置已有内容，则产生冲突，原来的块被替换（无需替换算法）

​ 直接映射的关系可定义为：
C a c h e 行号 = 主存块号 % C a c h e 总行数 Cache行号=主存块号\%Cache总行数
Cache行号=主存块号%Cache总行数

 

​ 假设Cache有2c行，主存有2m块，在直接映射方式，主存的第0块、第2c块、第2c+1块…只能映射到第0行

​ 由此看出，主存块号低c位正好是要装入Cache的行号。给每个Cache设置长为t=m-c的标记（tag），当主存某块调入Cache后，就将其块号的高t位设置在对应Cache行的标记中，如图（a）所示。

直接映射的地址结构为：

 

​ CPU访存过程如图（b）所示，

首先根据访存地址中间的c位，找到对应的Cache行，将对应Cache行中的标记和主存地址的高t位标记进行比较，若相等且有效位为1，则访问Cache“命中”，此时根据主存地址中低位的块内地址，在对应的Cache行中存取信息；

若不相等或有效位为0，则“不命中”，此时CPU从主存中读出该地址所在的一块信息送到对应的Cache行中，将有效位置1，并将标记设置为地址中的高t位，同时将该地址中的内容送CPU。

组相联映射

主存块可以放到特定分组中的任意位置。常用的有2路组相联映射，如下图所示。

 

组相联映射的关系可以定义为
C a c h e 组号 = 主存块号 % C a c h e 组数（ Q ） Cache组号=主存块号\%Cache组数（Q）
Cache组号=主存块号%Cache组数（Q）

​ 路数越大，即每组Cache行的数量越大，发生块冲突的概率越低，但相联比较电路也越复杂。选定适当的数量，可使组相联映射的成本接近直接映射，而性能上仍接近全相联映射。

组相联映射的地址结构为：

 

CPU访存过程如下：

首先根据访存地址中间的组号找到对应的Cache组；
将对应Cache组中每个行的标记与主存地址的高位标记进行比较；
若有一个相等且有效位为1，则访问Cache命中，此时根据主存地址中的块内地址，在对应Cache行中存取信息；
若都不相等或虽相等但有效位为0，则不命中，此时CPU从主存中读出该地址所在的一块信息送到对应Cache组的任意一个空闲行中，将有效位置1，并设置标记，同时将该地址中的内容送CPU。