主存与Cache的3种映射方式

计算机组成原理Cache的3种映射方式（直接映射，全相联映射，组相联映射）

一、为什么引入Cache？

答： Cache是一种高速缓冲存储器，他位于cpu和主存之间，是为了提高cpu对主存的访问速度。

为什么主存与Cache之间要进行映射？

答：前面我们知道，Cache是为了提高cpu对主存的访问速度。故cache可看做是一种介质，而这种介质是主存的替代品，而cpu只认主存的单元地址，所以我们需要把主存的地址映射到cache，这样cpu直接访问cache即相当于间接的访问主存，从而提高了cpu对主存的访问速度。

二、三种映射方式

1.直接映射

直接映射：说白了就是一对一的映射方式。前者 ‘一’ 指的是主存中的任意一块，主存中的不同分区下的块号，后者 ‘一’ 指的是cache中特定的某一个块。

直接来看下面主存与cache之间的直接映射，如下图：

从上面图形分析着手：左边的cache被分成了n行，其次右边主存部分被分成了m个区，其中每个区被分成了n块，n块和n行不是巧合，这恰好说明了cache是主存的替代品，其次我们还发现每个区中的每一块都是有规律的映射到cache中的一个特定行中。

所以在主存，区中的某一块映射到cache中的某一个特定行有如下规律

其中上面的i指的是cache中的特定行，j指的是主存区中的块号，n指的是cache中的总行数或每个主存区中的总块数。

相对应的地址格式

直接映射总结：

优点：地址映射方式简单，数据访问时只需要检查块号是否相等即可，因而能得到比较快的访问速度，硬件设备简单；

缺点；替换操作频繁，命中率比较低。

2.全相联映射

全相联映射即主存块可以映射到cache中的任意一块，即说白了就是一对多，‘一’指的是主存中的任意一块，‘多’指的是cache的每一行，即主存块可以映射到cache中的任意一块。

全相联映射总结：

优点：命中率比较高，cache存储空间利用率高；

缺点：访问相关存储器时，每次都要与全部内容比较，速度低，成本高，因而利用少。

3.组相联映射

组相联映射：说白了就是基于直接映射和全相联映射的一个比较折中的方式，即组内是全相联映射，组间是直接映射。就是一对N，‘一’指的是主存中的任意一块，‘N’ 指的是cache的每组内的块数，即主存块可以映射到cache中的任意一组的若干块。

组相联映射是直接映射和全相联映射的一个折中形式，那么必然也就存在下面俩种特殊的形式：

1、当cache中每组内的块数变为1时，这就变成了直接映射；

2、当cache中只有一组时，这就变成了全相联映射。

组相联映射相对应的主存地址格式（和直接映射方式很像，只是块号变成了组号）：

组相联映射总结：

优点：块的冲突概率比较低，块的利用率大幅度提高；

缺点：实现难度和造价要比直接映射高。