cache 映像机制详解
作者：互联网
高速缓冲器cache的原理
cpu的速度远远快于内存，因此如果cpu只是从内存中读取数据，那么会花费较多的时间在等待数据上，我们希望有一种方法解决【从内存中读数据慢】的问题，于是有了高速缓存。
对于数据的读取基于两个猜想，假设我们读取内存地址x处的数据，那么有
内存地址x处的数据在短时间内容易被再次访问
内存地址x周围的数据在短时间内容易被再次访问
当一个数据要从cache中读，L1没有就要去L2，以此层层向下。如果在所有层上都没有找到则访问主存，从主存中取数据送到cpu，此时取出的数据从 主存------》 cache --------》 cpu， 如果cache已满则用置换算法换出一块给这个数据挪位，数据读到了cache中以便下次查找。
由此引出：
hit 命中 —— 在cache中找到了想要的数据
miss 不命中 —— cache中没有找到想要的数据
但是命中（hit）的方式有多种，为什么呢？这是因为cache内部的结构问题，这里必须要说一些cache的工作原理。
cache和主存储器之间以块为单位进行数据交换，而块的大小以在主存储器的一个周期内能访问到的数据长度为限，而这个数据长度并不一定只是一个字哦，如果是主存储器采用并行或者地址交叉存取，则在主存周期内可以访问多个字。
因此，既然是以块为交换单位，所以将cache和主存储器都划分成大小相同的块。
主存地址：块号B+块内地址W
cache地址：块号b+块内地址w
这时，CPU要访问cache时，CPU要的主存地址放在了主存地址寄存器中，通过cache-主存的地址变换部件，将寄存器要求的主存地址转成cache中的地址，如果能在cache中找到则命中，如果不能则miss。
而主存和cache之间怎么变换的呢？其实只要映射块号地址，主存块号B-----》cache中的块号b，块内地址不变，解决。
要想通过主存地址找到cache地址，其实是有个表来记录的。
命中（hit）
我们在访问一个内存地址的时候，先查看高速缓存里面有无该地址的数据。如果有就直接从高速缓存中读取数据，这个行为我们叫做hit，即缓存命中
未命中（miss）
如果高速缓存中没有数据，我们需要从内存中读取数据，这个行为叫做miss。值得注意的是，我们一次读取不是读取一个内存单元的数据，而是读取一个【cache行】的数据，这意味着目标地址及其附近区域的一些数据会被读到高速缓存中，如果下次访问邻近的数据，就不会miss。（cache容量一般为64字节）
直接映像
假设有4个cache行，每行16字节，那么主存中
0-15字节被映射到cache行1
16-31字节被映射到cache行2
32-47字节被映射到cache行3
48-63字节被映射到cache行4
64-79字节被映射到cache行1 这里循环往复，以4个16字节为循环长度，上图中不同颜色的连线表示了这种循环映射
我们对内存中的地址，直接模除64（4*16=64），看结果，如果模除结果是在0-15，那么cache行1。
cache地址： 块号 +块内地址
主存地址： 区号（按照组划分）+ 块号（按照块划分） +块内地址
例：设主存容量为1MB，高速缓存容量为16KB，块的大小为512字节。采用直接地址映像法。
写出主存地址格式。
写出Cache地址格式。
块表的容量是多大。
画出直接方式地址映像及变换示意图。
解：
Cache块数=16KB/512B=32块
则主存每区为32块，共1MB/16KB=64区
所以主存地址为6位区号（共64区）+5位区内块号（共32块）+9位块内地址（块容量512B，按字节编址）
所以Cache地址为5位区内块号，9内块内地址（相当于主存的一个区）
自然的，块表的容量为32*6位（表示Cache32个块中分别存了第几区的主存块）
示例
假设每次访问的都是映射到同一行的内存块，那么会不断的miss，因为就一块cache，大家一起用，互相覆盖，造成miss率高
优点是电路搭建简单，成本低。缺点是miss率很高
全相联映像
全连接映射顾名思义，谁都能映射。任意内存块，可以被映射到任意cache行。可以将cache看作一个list，只要list未满，就载入最前的一个空cache行，直到cache满，然后淘汰掉旧行，载入新行。
示例：
全连接映射hit率很高，因为大家公用所有cache，而不是像直接映射一样大家共用一个cache行。缺点是硬件实现很复杂，成本非常高（有n个cache行，就要有n个地址的比较电路来判断地址是否在行内）
多路组相联映像
组映射将cache分组，一个cache组包含多个cache行，而内存块以直接映射的形式，先映射到对应的组上，然后再以全连接映射的方式，再组内寻找对应到的cache行。
根据上面的图：我们知道cache被分为了8组，每组又分为了2块，右边主存部分被分成了256个区，每个区8块，每个区的8块与cache中的8组不是巧合，而是为了实现组间直接映射，然疑问来了，当主存的某一块按直接映射方式规则进行映射后到了cache中相应的组，而此时在cache中每组有两块，这时候就是实行组内全映射。
前面我说过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：
当cache中每组内的块数变为1时，这就变成了直接映射；
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）：
优缺点：综合了上述两种映射，暨能做到组间直接映射，又能做到组内全连接映射，在成本和效率上有所折中，是折中的平衡方案。
下面以一道例题为例：
某计算机按字节寻址，主存有2K个块，每块32个字节。 Cache由64个块组成，每组8块（8路组相联）。请表示主存地址格式。给内存地址为A21FH和C028H两个地址对应的标记、组号和字号。
我的解法思路是：
字号：每块32个字节，即 32=2^5,故字号5位。
组号：Cache由64个块组成，每组8块，即64/8=8=2^3，故组号3位。
区号标记：主存有2K个块，又因为我们知道组间是直接映射(所以把cache中的组数看作直接映射中的块)，即2k/8=2^8,故区号8位。
所以，主存格式为：区号8位、组号3位、字号5位。
又A21FH=1010001000011111B
故对应的标记：10100010，组号：000，字号：11111
同理C028H=1100000000101000B
故对应的标记：11000000、组号：001、字号：01000
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。
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