跟小灰灰一起学系统架构:Cache映射机制之全相联映像和组相连映射
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发布时间：2024-12-03 09:38
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本节内容
一、全相联映像
全相联映像利用相联存储器构建Cache存储器。在此方式中，主存中的每一页都能映射到Cache的任意一页。当需要替换Cache中的某页内容时，可以任意选择主存中的页进行替换，这使得其相较于直接映像方式更为灵活。
在全相联映像方式中，主存地址分为地址部分（主存页标记）和数据部分（页内地址）。数据部分用于存放数据，地址部分则记录该数据的存储器地址。
当程序访问内存时，高11位提供主存页号，低19位提供页内地址。由于每个Cache页可以映射到2048个主存页中的任意一页，因此每页的Cache标记也需要11位，以指示它当前映射的主存页号。这导致Cache标记位数增加，比较逻辑成本也随之增加。
在全相联映像方式中，主存地址不能直接提取Cache页号，而是需要将主存页标记与Cache各页的标记逐个比较，直到找到匹配的页（访问Cache命中），或者比较完所有标记后仍未找到匹配项（访问Cache失败）。因此，这种映射方式速度较慢，失去了高速缓存的作用，这是全相联映像方式的最大缺点。如果让主存页标记与各Cache标记同时比较，成本将非常高。由于比较器电路的设计和实现难度较大，全相联映像方式仅适用于小容量Cache。
二、组相联映像
1、组相联映射方式
组相联映像（页组映像）介于直接映像和全相联映像之间，是这两种映像的一种折衷方案。全相联映像方式以页为单位，可自由映射，没有固定的对应关系。直接映像方式中，主存分组，主存组内的各页与Cache的页之间采取的是固定的映射关系，但各组均可映射到Cache中。在组相联映像方式中，主存和Cache都分组，主存中一个组内的页数与Cache的分组数相同。
2、组相联映射规则
组相联映像的规则是：主存中的组与Cache的组形成直接映射关系，而每个组内的页是全相联映射关系。例如，主存1区0页位于0组，因此只能进入Cache的0组中。至于进入Cache的0组0页还是0组1页，没有强制要求，可任意放置。
在组相联映像中，Cache中每一页的标记位长度为8位，因为此时除了要记录区号，还得记录组号，即区号7位加组号1位等于8位。
可以看出，如果Cache中每组只有一页，则组相联映像方式就变成了直接映像方式。如果Cache中每组页数为16页（即Cache只分一组），则就是全相联映像。因此，在具体设计组相联映像时，可以根据设计目标选择某一折衷值。
在组相联映像中，由于Cache中每组有若干可供选择的页，因此在映像定位方面较直接映像方式更为灵活：每组页数有限，因此付出的代价不是很大，可以根据设计目标选择组内页数。
为保障性能，内存与Cache之间的映射往往采用硬件完成，因此Cache对于程序员而言是透明的。程序员在编程时，无需考虑Cache。
