Cache与主存地址映像知识点及例题分析

 Cache与主存地址映像知识点及例题分析

例题：



     

容量为64
块的Cache
采用组相联方式映像，字块大小为128
字节，每4
块为一组，若主容量为4096
块，且以字编址，那么主存地址为（19
）位，主存区号为（6
）位。

 

     

这是一道Cache
与主存地址映像的问题，即主存以什么规则装入Cache
。它是计算机系统结构中存储体系的一部分内容。好了，觉得还是先把相关的知识点写一下先的好，不然只看答案可能有点难懂。

 

知识点：Cache
与主存地址映像



 

Cache
和主存都被分成若干个大小相等的块，每块由若干个字节组成，主存和Cache
的数据交换是以块为单位，需要考虑二者地址的逻辑关系。

 

地址映像：把主存地址空间映像到Cache
地址空间，即按某种规则把主存的块复制到Cache
中。

 

一、

全相连映像

 

主存中任何一个块均可以映像装入到Cache
中的任何一个块的位置上。主存地址分为块号和块内地址两部分，Cache
地址也分为块号和块内地址。Cache
的块内地址部分直接取自主存地址的块内地址段。主存块号和Cache
块号不相同，Cache
块号根据主存块号从块表中查找。Cache
保存的各数据块互不相关，Cache
必须对每个块和块自身的地址加以存储。当请求数据时，Cache
控制器要把请求地址同所有的地址加以比较，进行确认。

 

特点：灵活，块冲突率低，只有在Cache
中的块全部装满后才会出现冲突，Cache
利用率高。但地址变换机构复杂，地址变换速度慢，成本高。

 

公式：

      

主存地址位数＝块号+
块内地址；

      
Cache
地址位数＝块号+
块内地址。

 

二、

直接映像

 

把主存分成若干区，每区与Cache
大小相同。区内分块，主存每个区中块的大小和Cache
中块的大小相等，主存中每个区包含的块的个数与Cache
中块的个数相等。任意一个主存块只能映像到Cache
中唯一指定的块中，即相同块号的位置。主存地址分为三部分：区号、块号和块内地址，Cache
地址分为：块号和块内地址。直接映像方式下，数据块只能映像到Cache
中唯一指定的位置，故不存在替换算法的问题。它不同于全相连Cache
，地址仅需比较一次。

 

特点：地址变换简单、速度快，可直接由主存地址提取出Cache
地址。但不灵活，块冲突率较高，Cache
空间得不到充分利用。

 

公式：

     

主存地址位数＝区号+
区内分块号+
块内地址；

     
Cache
地址位数＝块号+
块内地址。

 

三、

组相连映像

 

组相连映像是前两种方式的折衷。主存按Cache
容量分区，每个区分为若干组，每组包含若干块。Cache
也进行同样的分组和分块。主存中一个组内的块数与Cache
中一个组内的块数相等。组间采用直接方式，组内采用全相连方式。组的容量＝1
时，即直接映像，组的容量＝整个Cache
的容量时，即全相连映像。Cache
的存在对于程序员透明，Cache
的地址变换和数据块的替换算法都采用硬件实现。

 

公式：

 

主存地址位数＝区号+
组号+
主存块号+
块内地址；

Cache
地址位数＝组号+
组内块号+
块内地址。

 

 

四、

主存地址和Cache
地址的相关计算

 

＆主存地址的位数A
由主存容量N
决定

   
A
＝log2N=
区号位数＋块号位数＋块内地址位数

 

＆Cache
地址的位数B
由Cache
容量H
决定

  
B
＝LOG2H
＝块号位数＋块内地址位数

 

＆区号根据Cache
容量划分，区号长度＝主存地址位数－Cache
地址位数

 

＆主存的块号和Cache
块号的长度相同，位数K
取决于Cache
中能容纳的个数

J
，K
＝LOG2J

 

    

＆主存的块内地址和Cache
的块内地址长度相同，位数M
取决于块的容量 
Q   
   

，  
M
＝LOG2Q      
   

 

 

 

 

 

 

 

例题解析：



 

方法一
：

 

      

分区数＝主存容量／Cache
容量＝4096
／64
＝64
；

      

区内分组数=64/4=16;

      

组内分块数＝4
块／组；

      

块内地址＝128
字节；

 

      

所以根据公式：

 

主存地址位数＝6+4+2+7
＝19
；

            

主存区号＝6
位。

方法二：

     

  

＆主存地址的位数A
由主存容量N
决定

        
A
＝log2N=
区号位数＋块号位数＋块内地址位数

      

      

所以：

          
A
＝LOG2N
＝LOG2
（4096*128
）＝LOG2
（2

^
12*2
^
7
）＝LOG2
（2

^
19
）

           

＝19
；

  

＆Cache
地址的位数B
由Cache
容量H
决定

    
B
＝LOG2H
＝块号位数＋块内地址位数

 

  

所以：

      
B
＝LOG2
（64*128
）＝13.

  

  

区号的计算方法同上！

 

方法三：

  

      

主存地址＝主存块地址+
块内地址＝12+7
＝19
；

  

主存区号地址＝主存块地址-Cache
块地址＝12-6
＝6.

  http://blog.chinaunix.net/u2/70445/showart_1308837.html