Cache 的基础知识以及映射

前言：继续补硬件知识

存储器的层次结构

列出的时间和容量会随时间变化，但数量级相对关系不变。

层次化存储器结构（Memory Hierarchy）

为什么这种结构会有用

• 刚被访问的单元可能不久又被访问

  这叫做时间局部性。比如循环访问的数组单元啊。解决办法，就是把被访问的单元的信息保留在靠近 CPU 的存储器中。

• 刚被访问过的单元的邻近单元很可能不久被访问

  这叫做空间局部性。比如遍历整个数组啊。解决办法，就是把被访问的单元的邻近单元保留在靠近 CPU 的存储器中。

这种结构就是位于 CPU 和 MM（Main Memory）的 Cache。

如何操纵 Cache

整个简单的流程就是上面的图片那样。

有几点需要注意：

• 在可执行文件中，程序给的是虚拟地址。不是真正主存地址，那 CPU 又是怎么给出主存地址呢？这是另外一个话题。。。（等我学会了我再写出来）

• 是把包含 AD 内容的块读入 Cache 中，而不是仅仅把 AD 的内容放入 Cache 中

理解 Cache 的映射方式

有三种映射方式：

• 直接（Direct）: 每个主存的映射到 Cache 固定行

• 全相联（Full Associate）：每个主存映射到 Cache 的任一行

• 组相联（Set Associate）：每个主存映射到 Cache 的固定组的任一行

你可能对 Cache 的行还不是很了解。我会在例子中给出

直接映射

行号就是槽号

• 把整块主存分为 128 块群
• 每块群有 16 块

槽号的计算方式，假设有 16 行，也就是有 16 个槽号

槽号 = 块群 % 16

举个栗子：

右边第 17 块就应该放在 17 % 16 = 1 的槽号里面。

继续来说说主存地址的主存标记和块内地址。主存地址就是来找主存单元的。假设我们已经有了「槽号」。

• 主存标记

  现在，我们有槽号了，也就是知道我们要找的块在块群的哪个位置了。但是我们不知道他是属于哪个「块群」。主存标记就是用来存储块群的。一共有 128 个块群。所以一共有 7 位

• 块内地址

  现在我们能够找到，这一块属于哪个块群的哪个块了。但是，我们找的是内存单元。一个「块」里面有很多个内存单元。在这里我们假设：每一个 块 = 512B。也就是说，要精确到内存单元的地址。需要 9 位地址。也就是块内地址。

用一个例子来解释直接巩固一下，直接映射

这个题的解题思路如下：

• 首先要明白主存地址有三个部分：Cache 槽号 主存标记 和 块内地址
• 因为，一个块是 16B，所以块内地址就是 4 位
• 因为，数据总量是 64KB，所以行号就是 64KB / 16B = 4 KB 也就是 12 位
• 剩下的 16 位就是标签，也就是主存标记了

在注意一点：这里多出来了一位 V

V 代表：

• 为 1 表示信息有效，为 0 表示信息无效

• 开机或复位时,使所有行的有效位 V = 0

• 某行被替换后使其 V = 1

• 某行装入新块时 使其 V = 1

• 通过使 V = 0 来冲刷 Cache(例如:进程切换时,DMA传送时)

好的，我们继续来说说全相联（Full Associate）

全相连（Full Associate）

全相联就是：每一个块可以放在 Cache 的任何位置。

所以没有槽号这一说了，只剩下标记用来标记第多少块。

这两者都不好，最后说说这两者的结合：组相联（Set Associate）

组相联（Set Associate）

组相联（Set Associate）干了什么呢（还是原来的例子）：

• 保留了直接映射的特点：「槽号」

  但是槽号其实是变小了，只分了 8 组。也就是只有三位，原来是 1 块 1 组。现在是 2 块一组。

• 在每一槽里面使用全相联：

  也就是说，每一槽不是有两行吗？两行可以随便放。就跟全相联一样，只不过全相联是把整个 Cache 都随便放了

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