主存与cache的地址映射关系

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1、主存与Cache的地址映射 CPU对存储器的访问，通常是一次读写一个字单元。当CPU访Cache不命中时，需将存储在主存中的字单元连同其后若干个字一同调入Cache中，之所以这样做，是为了使其后的访存能在Cache中命中。因此，主存和Cache之间一次交换的数据单位应该是一个数据块。数据块的大小是固定的，由若干个字组成，且主存和Cache的数据块大小是相同的。 从Cache-主存层次实现的目标看，一方面既要使CPU的访存速度接近于访Cache的速度，另一方面为用户程序提供的运行空间应保持为主存容量大小的存储空间。在采用Cache-

2、主存层次的系统中，Cache对用户程序而言是透明的，也就是说，用户程序可以不需要知道Cache的存在。因此，CPU每次访存时，依然和未使用Cache的情况一样，给出的是一个主存地址。但在Cache-主存层次中，CPU首先访问的是Cache，并不是主存。为此，需要一种机制将CPU的访主存地址转换成访Cache地址。而主存地址与Cache地址之间的转换是与主存块与Cache块之间的映射关系紧密联系的，也就是说，当CPU访Cache未命中时，需要将欲访问的字所在主存中的块调入Cache中，按什么样的策略调入，直接影响到主存地址与Cach

3、e地址的对应关系，这也就是本小节要解决的主存与Cache的地址映射问题。 主要有三种地址映射方式，分别为全相联映射、直接相联映射和组相联映射。 1.全相联映射 全相联映射是指主存中任一块都可以映射到Cache中任一块的方式，也就是说，当主存中的一块需调入Cache时，可根据当时Cache的块占用或分配情况，选择一个块给主存块存储，所选的Cache块可以是Cache中的任意一块。例如，设Cache共有2C块，主存共有2M块，当主存的某一块j需调进Cache中时，它可以存入Cache的块0、块1、…、块i、…或块2C-1的任意一块上。

4、如图4-28所示。 图4-28全相联映射方式 在全相联映射方式下，CPU的访主存地址为如下形式：  其中，M为主存的块号，W为块内的字号。而CPU访Cache的地址形式为：  其中，C为Cache的块号，W为块内的字号。 主存地址到Cache地址的转换是通过查找一个由相联存储器实现的块表来完成的，其形成过程如图4-29示。图4-29全相联映射的地址转换 当一个主存块调入Cache中时，会同时在一个存储主存块号和Cache块号映射表的相联存储器中进行登记。CPU访存时，首先，根据主存地址中的主存块号M在相联存储器中查找Cache块号

5、，若找到，则本次访Cache命中，于是将对应的Cache块号取出，并送访Cache地址的块号C字段；紧接着将主存地址的块内字号W直接送Cache地址的块内字号W字段，从而形成一个访Cache的地址；最后根据该地址完成对Cache单元的访问. 全相联映射方式的优点是Cache的空间利用率高，但缺点是相联存储器庞大，比较电路复杂，因此只适合于小容量的Cache之用。   2.直接相联映射 直接相联映射方式是指主存的某块j只能映射到满足如下特定关系的Cache块i中：i＝j mod2C                          

6、     （4.2）  图4-30直接相联映射方式 上图中，主存的第0、2C、2C＋1、…块只能映射到Cache的第0块，主存的第1、2C+1、2C＋1+1、…块只能映射到Cache的第1块，……，主存的第2C-1、2C＋1-1、…2M-1块只能映射到Cache的第2C-1块。 在直接相联映射方式下，CPU的访主存地址为如下形式：  其中，T为标志号，C为Cache的块号，W为块内的字号。在这里，原主存的块号M实际上被分成了两个字段：T和C，其中C用于指出主存的块可以映射的Cache的块。一般来讲，主存的块数是Cache的块数的整

7、数倍，也就是说主存的块数2M和Cache的块数2C满足关系式：2M＝n·2C 在直接相联映射方式下，标志号T是随Cache的每个块一起存储的，其地址转换过程如图4-31所示。 图4-31直接相联映射的地址转换 当一个主存块调入Cache中时，会同时将主存地址的T标志存入Cache块的标志字段中。当CPU送来一个访存地址时，首先，根据该主存地址的C字段找到Cache的相应块，然后将该块标志字段中存放的标志与主存地址的T标志进行比较，若相符，说明主存的块目前已调入该Cache块中，则命中，于是使用主存地址的W字段访问该Cache块的相

8、应字单元；若不相符，则未命中，于是使用主存地址直接访主存。 直接相联映射方式的优点是比较电路最简单，但缺点是Cache块冲突率较高，从而降低了Cache的利用率。由于主存的每一块只能映射到Cache的一个特定块上，当主存的某块需调入Cache时，如