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  • 主存与Cache地址映射方式中,____方式可以实现任意主存的任意一块装入Cache中任意位置,只有装满才需要替换。 A 全相联 B 直接映射 C 组相联 D 串并联 2. 理论 地址映像方式有3种,直接映像、全相联映像、组相联...

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    1. 题目

    主存与Cache的地址映射方式中,____方式可以实现任意主存的任意一块装入Cache中任意位置,只有装满才需要替换。
    A 全相联
    B 直接映射
    C 组相联
    D 串并联

    2. 理论

    地址映像方式有3种,直接映像、全相联映像、组相联映像。

    2.1 直接映像

    主存中的块与Cache的块固定对应,主存的块只能放在Cache存储器相同块号中。
    优点:地址变换简单。
    缺点:灵活性差。

    2.2 全相联

    允许主存任一块可以调入Cache任一块。
    优点:十分灵活
    缺点:变换复杂速度慢。

    2.3 组相联映射

    是前两种方法折中,将Cache的块划分组,通过直接映像确定组号,组内用全相联确定块号。

    3. 解析

    根据理论部分,D肯定错误,看到任意一块字样,选择A。

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  • 主存与Cache地址映射方式

    万次阅读 2017-09-19 10:23:31
    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Cache之间一次交换的数据单位应该是一个数 据块。数据块的...
            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-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Cache地址的对应关系。

     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。如图4-28所示。

    主存与Cache的地址映射 - zjfzjf - zjfzjf

      

    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:

    主存与Cache的地址映射 - zjfzjf - zjfzjf

      

     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:

    主存与Cache的地址映射 - zjfzjf - zjfzjf

      

     其中,CCache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。

    主存与Cache的地址映射 - zjfzjf - zjfzjf
     

    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,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Cachei中:

    ij mod 2C                               4.2

     

    主存与Cache的地址映射 - zjfzjf - zjfzjf

      

    4-30直接相联映射方式

      上图中,主存的第02C2C1… 块只能映射到Cache的第0块,主存的第12C+12C1+1… 块只能映射到Cache的第1块,… … ,主存的第2C-12C1-12M-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:

     主存与Cache的地址映射 - zjfzjf - zjfzjf

     

     其中,T为标志号,CCache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:TC,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的块数的整数倍,也就是说主存的块数2MCache的块数2C满足关系式:2Mn·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。

    主存与Cache的地址映射 - zjfzjf - zjfzjf

      

    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,如果对应的Cache特定块已被占用,而Cache中的其它块即使空闲,主存的块也只能通过替换的方式调入特定块的位置,不能放置到 其它块的位置上。

     3. 组相联映射

     以上两种方式各有优缺 点,而且非常有趣的是,它们的优缺点正好相反,也就是说,对于全相联映射方式来说为优点的恰是直接相联映射方式的缺点,而对于全相联映射方式来说为缺点的 恰是直接相联映射方式的优点。那么,可否找到一种能较好地兼顾这两种方式的优点的映射方式呢?下面我们就来看看组相联映射方式 在这种方式下,将Cache分成2u组,每组包含2v块。主存的块与Cache的组之间采用直接相联映射,而与组内的各块则采用全相联映射。也就是说,主存的某块只能映射到Cache的特定组中的任意一块。主存的某块jCache的组k之间满足如下关系:

    kj mod 2u                             4.3

     设主存共有2s×2u块(即Ms+u),则它们的映射关系如下图4-32示。

     主存与Cache的地址映射 - zjfzjf - zjfzjf
              

    4-32组相联映射方式                                       

    图中,主存的块02u2u1(2s-1)2u可以映射到Cache的第0组的任意一块,主存的块12u+12u1+1(2s-1)2u+1可以映射到Cache的第1组的任意一块,… … ,主存的块2u-12u1-12M-1可以映射到Cache的第2u-1组的任意一块。

        在组相联映射方式下,CPU的访主存地址和访Cache地址分别为如下形式:

    主存与Cache的地址映射 - zjfzjf - zjfzjf
      其中,uCache的组号,v为组内的块号。Cache的块号Cu+v,而主存的块号Ms+u。也就是说,主存块地址的后u位指出了主存的这一块所能映射的Cache的组。



     与全相联映射方式类似的是,在组相联映射方式下,主存地址到Cache地址的转换也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4-33所示。

     主存与Cache的地址映射 - zjfzjf - zjfzjf

     

    4-33组相联映射的地址转换

     当一个主存块调入Cache中时,会同时将其主存块地址的前s位写入一个由相联存储器实现的快表的对应Cache块项的s字段中。例如,设主存的某块调入Cache的第1组的第2块中,则在快表的组13项的s字段会登记下该主存块地址的前s位。

     CPU访存时,首先,根据主存地址中的主存块号中的u字段找到快表的相应组,然后将该组的所有项的前s位同时与主 存地址的s字段作比较,若相符,则说明主存块在Cache中,于是将Cache中该项的v字段取出,作为Cache地址的v字段,而Cache地址的u、 W字段直接由主存地址的uW字段形成,最后形成一个完整的访Cache地址。当然,若比较结果是没有相符项,则未命中,由主存地址直接访主存。

     其实,全相联映射和直接相联映射可以看成是组相联映射的两个极端情况。若u0vC,则Cache只包含1组,此即全相联映射方式;若uCv0,则组内的块数等于1,此即直接相联映射。

     在实际应用中,相联映射方式每组的块数一般取值较小,典型值为24816等,分别称为两路组相联、四路组相 联等。这样一方面使得比较器的规模较小,实现较容易,例如两路组相联采用两路比较,四路组相联采用四路比较等;另一方面,Cache每组增加的可映射块数 可有效减少冲突,提高Cache访问的命中率。


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  • 主存与cache间的地址映射

    千次阅读 2020-12-22 22:38:35
    cache与主存之间的数据交换是以“块”为单位进行的。一个“块”中包含若干个“字”,字长由实际情况确定。      习惯上,cache中的“块”称“行”,主存中称“块”。cache的“行”与主存的“块”...

    参考:《计算机组成原理》(第五版) 白中英等著


    准备工作:

    ①cache与主存之间的数据交换是以“块”为单位进行的。一个“块”中包含若干个“字”,字长由实际情况确定。

         习惯上,cache中的“块”称“行”,主存中称“块”。cache的“行”与主存的“块”存储容量相同。

    ②相联存储表(CAM)是一种按内容寻址的存储器。下面所提到的标记(tag)存于该存储器中。

    ③cache中的标记tag与cache的“行”一一对应的。如果某一块主存数据块拷贝到cache中的某一行,该cache行就会形成相应的标记tag。


    三种地址映射方式:①全相联映射方式、②直接映射方式、③组相联映射方式


    ①全相联映射方式:

    理念:主存中的一块可以拷贝到cache中的任意一行。

    通俗理解:对于主存中的数据块可以拷贝到cache中的哪一行不做硬性规定。


    主存地址格式:主存块号+块内偏移地址

    cache地址格式: cache行号+行内偏移地址

    cache标记tag:主存块号


    映射过程(地址变换过程):

    CPU提供一内存地址给cache,cache中的“控制逻辑”将“主存地址格式”中的“主存块号”与cache中所有行的标记tag进行同时比较。

    如果存在相同的,即表示“命中”,根据“块内偏移地址”找到相应的字。

    如果不存在相同的,即表示“未命中”,那么将会到主存中寻找。


    优点:该映射方式下,块冲突的概率低,cache利用率高。

    缺点:硬件控制复杂,尤其是用于比较“主存块号”与tag时的比较器电路难于设计与实现。

    适用情况:小容量的cache





    ②直接映射方式:

    理念:一个主存块只能拷贝到cache的一个特定行位置去。


    通俗理解:相当于将主存空间按cache的大小(行数)进行分区(说“分组”也可以),主存分区(组)后,每区(组)中的数据块数目与cache的行数一致。

    将每一区(组)的数据块在区(组)内重新进行编号。使区(组)内各块只能映射到与它区(组)内编号相同的cache行去。


    举例:假设现有主存-cache体系。cache共4行,主存共16块。cache的4行编号分别为L0~L3,主存的16块编号分别为B0~B15。如下图所示:

    a、首先将主存按照cache的大小进行分区(组):16/4=4(组),即将主存分为4组,编号分别为G0~G3,这样每组中拥有与cache行数相同的数据块。

    b、对每组内的数据块进行“组内重新编号”,即B0变为G0的b0,B1变为G0的b1,B2变为G0的b2,B3变为G0的b3;B4变为G1中的b0,B5变为G1中的b1,B6变为G1中的b2,B7变为G1中的b3。依次类推。

    c、这样,组内编号为b0的主存块如果需要拷贝至cache,只能放置到L0;b1只能拷贝到L1;b2只能拷贝到L2;b3只能拷贝到L3。如上图所示,相同颜色的说明可以进行拷贝。


    主存地址格式:主存组号+组内块号+块内偏移地址

    cache地址格式:cache行号+行内偏移地址

    cache标记tag:映射到该行的主存块的主存地址的“组号”


    映射过程(地址变换过程):

    CPU提供一内存地址给cache,相关的逻辑根据内存地址中的“组内块号”确定该主存块如果发生拷贝会被拷贝到哪一行;

    然后,将内存地址中的“主存组号”与上步确定的cache行的标记tag进行比较,如果存在相同的即“命中”,如果不存在相同的即“未命中”。


    优点:硬件简单,容易实现,成本低。

    缺点:发生块冲突的概率较大,导致cache的命中率、效率下降。

    适用情况:大容量的cache,更多的行数可以减小冲突发生的机会。





    ③组相联映射方式:

    理念:是直接映射方式与全相联映射方式的折衷方案,适度地兼顾了二者的优点又避免二者的缺点。

    将cache的空间分为若干组,主存块与cache组之间直接映射,而组内各块之间全相联映射。


    关键:cache的分组数=主存每一组的块数


    相关概念:

    v路组相联cache:说明该cache采用组相联映射方式且cache的每组有v行。v一般取值较小,典型的有2、4、8、16。


    举例:假设有主存-cache体系,cache共4行,主存共16块。cache的4行编号为:L0~L3,主存的16块编号为B0~B15。采用2路组相联映射。如下图所示:

    a、cache共4行,采用2路组相联映射,即将cache分为2组G0~G1,每组2行。

    b、cache的分组数=主存每一组的块数,即将主存分为8组g0~g7,每组2块。

    c、主存组内进行重新编号b0、b1,如上图所示

    d、凡是组内编号为b0的主存块,可以拷贝至cache的G0组,至于是2行中的哪一行,是随机的无硬性规定的。依次类推,组内编号b1的主存块可以拷贝至G1组


    主存地址格式:主存组号+组内块号+块内偏移地址

    cache地址格式:cache组号+组内行号+行内偏移地址

    cache标记tag:组号


    映射过程(地址变换过程):

    CPU提供一内存地址给cache,相关逻辑根据地址中的“组内块号”部分确定主存块如果发生拷贝将会被放置到cache的哪一组中;

    然后,将地址中的“主存组号”与上步所确定的那一组中所有行的tag同时进行比较,如果存在相同的即“命中”,如果不存在相同的即为“未命中”。



    该映射方式实现较为容易,块冲突概率比直接映射方式低,命中率介于直接映射方式与全相联映射方式之间。被普遍采用。









           


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  • Cache与主存的三种地址映射详细解读

    千次阅读 多人点赞 2021-02-02 17:36:04
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    前言

           我们知道,Cache又叫做高速缓冲存储器, 它保存的是主存中的一部分数据。当CPU要访问数据时,它会同时发送地址给Cache和主存,如果在Cache中找到了想要的数据,则由Cache直接返回数据给CPU; 如果没有在Cache找到想要的数据,则由主存返回数据给CPU,同时会将该数据复制一份给Cache。而要怎么复制给Cache以及复制完怎么存放在Cache当中,这就涉及到了Cache与主存之间的地址映射方式。

    1、三种地址映射的简单介绍

           Cache与主存之间有三种映射方式,分别是 全相联映射、直接映射和组相联映射

           在讲解映射之前先来了解一下,“ 字、块、行 ” 这 3 个概念。
        是 存放在一个存储单元里的机器数,由若干个比特位组成,具体字长取决于存储器的规格。也就是说它可以是 8 位组成一个字,也可以是 16 位、32 位、64 位,甚至是 1024 位组成 。
        在主存中,若干个连续的字可以组成一块
        是指 Cache 中的一行,等同于主存中的一块。主存中一块的大小有多大,Cache中的一行就有多大。所以有时也会将 Cache 中的行称为块,这点注意一下即可。

           okay , 下面让我们来了解一下三种地址映射叭!

    (1)、全相联映射

           在全相联映射中,我们将主存分成了 m 块,将 Cache 分成了 n 行,Cache中的一行可以存放主存中的任意一块,如图 (1)。而反过来呢,主存中的一块可以存放在 Cache 中的任意一行,如图 (2) 。Cache 和主存之间是多对多的关系,也就是说 Cache 中的任意一行可以存放主存中的任意一块,这就是全相联映射方式。
    全相联映射                                               图 (1)全相联映射
                                                  图 (2)

    (2)、直接映射

            在直接映射中,我们将主存中分成了 m 块,每若干块组成了一个区,其中一个区中的块数取决于Cache中的行数。 Cache 中有多少行,我们的一个区就由多少块组成。(这里为了方便以 Cache 中只有 4 行举例,因为 Cache 只有 4 行,所以我们一个区也由 4 块组成 )
            如下图所示,在直接映射中,每个区的第 0 块只能映射到Cache中的第 0 行,每个区的第 3 块只能映射到Cache中的第 3 行,也就是说 主存中每个区的第 i 块会映射到Cache中的第 i 行,Cache 与主存之间是一对多的关系,这就是直接映射方式。( 这里也是为了方便,第 1 行和第 2 行的线没画,怕线多了太乱 )

    在这里插入图片描述

    (3)、组相联映射

           通过上面的介绍,我们已经认识了全相联映射和直接映射,可以看出,采用全相联映射时,Cache中 的数据存放没有规律,CPU 要查找数据时只能对 Cache 进行遍历;而直接相联映射虽然具有一定的规律,但是 Cache 中的每一行只能存放主存中的一块,使得我们如果要查找的数据在某一行找不到,只能去主存找,这样也会使 CPU 去频繁地访问主存。因此有了第三种地址映射方式——组相联映射,它 是全相联映射与直接映射之间的折中方式
    组相联映射基本和直接映射一样,也是将主存划分成了很多个区,唯一的不同就是 Cache 中若干个连续的行组成了一组,如下图所示。其中每个区中的第 i 块对应Cache中的第 i 组( 在直接映射中是每个区中的第 i 块对应Cache中的第 i 行,这点注意 ),在组相联映射中,我们可以将主存中每个区的一块随意存放在 Cache 中某一组的任意一行中。
    组相联映射
           好啦,这便是三种地址映射的简单工作原理,下面让我们来看一下三种映射的主存地址格式。

    2、三种映射的主存地址格式

           s 代表块地址,w 代表字地址(也叫块内地址),r 代表行地址,d 代表组地址,s - r 和 s - d 代表了区地址。

    ①全相联映射

    在这里插入图片描述

    ②直接映射

    在这里插入图片描述

    ③组相联映射

    在这里插入图片描述
           好的,现在来解释一下这些符号的意思,我们知道主存中有很多个字,现在假设主存中只有 8 个字,那么我们需要用多少位比特位来选择这 8 个字呢?
           答案是 3,因为 23 = 8 ,用 3 位数字便可以表示从 000 ~ 111 这 8 种情况,所以当我们的字地址为 w 位时,则可以表示 一块中含有 2w 个字。同理:
            当我们的块地址为 s 位时,则可以表示主存中有 2s
            当我们的行地址为 r  位时,则可以表示 Cache 中有 2r
            当我们的组地址为 d 位时,则可以表示 Cache 中有 2d
            当我们的标记为 s - r 或 s - d 位时,则可以表示主存中有 2s-r 或 2s-d 个区

    补充:
            我们知道了块地址有 s 位,字地址有 w 位,那么便可以知道主存中含有多少个字或者说含有多少个存储单元。
            因为 “ 块数 * 每块的字数 = 总字数 ” 即 2s * 2w = 2s+w , 所以 主存中共有 2s+w 个存储单元

    3、Cache的地址格式

           在三种主存的地址格式中,其实也蕴含了 Cache 的地址格式,我们知道,Cache中一行的大小和主存中一块的大小是一样的,所以Cache和主存的字地址位数相等。

           ①采用全相联映射时,Cache 也有块地址来标识 Cache 中有多少块,因此 全相联映射时,Cache 的地址格式和主存的地址格式一样,由 s 和 w 构成

           ②采用直接相联映射时,由于 Cache 没有区,所以 Cache的地址格式由 r 和 w 构成

           ③采用组组相联映射时,Cache的地址格式由 d 和 w 构成

           以上笔记源于书本自己琢磨出来的,供大家学习交流,如果错误之处,欢迎指正!

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    2021-01-11 14:52:21
    由内存地址映射Cache...比如内存地址有10块,Cache地址有2块,那么映射关系就出来了,第一块主存对应第一块Cache,第二块主存对应第二块Cache,第三块主存对应第一块Cache,以此类推下去,就可以的到相关的关系,...
  • 由于贮存和Cache的块大小相同,块内地址都是相对于快的起始地址的偏移量(即低位地址相同),因此地址变换主要是主存块号与Cache块号之间的转换。 1.直接映射 上图中Cache为8行,主存为256行。Cache被分为8块,...
  • Cache-主存地址映射(习题)

    万次阅读 多人点赞 2016-11-03 19:14:43
    Tips字块内地址解析:例如:每块16个字 每个字32位 , 字块内地址为6位 (1)字块内地址位数:2^4 * 2 ^ 5 / 8 = 2^ 6, 所以6 (2)4位字地址 : 是因为每块16个字 (3)2位字节地址 : 是因为2位可表示 00 01 10 ...
  • 首先我们搞清楚主存地址还有Cache地址的关系,还有组内地址的关系,常见我们的块内地址,是用b(b表示有几位的数2^b)表示的。 对于直接映射主存地址分为,标记 | 字块地址 | 块内地址 对于全相联映射主存地址...
  • 主存Cache的几种映射方式

    千次阅读 多人点赞 2019-02-19 18:09:55
    在一切的开始之前,首先最重要的是需要去明白和掌握内存的块的定义:...1.块长(一般是取一个存取周期内从主存调出的信息长度,和交互存取有关系)行长相等,2.行的位数=行号+行内地址 块的位数=块号+快内地址。3....
  • 主存cache地址映射

    千次阅读 热门讨论 2015-10-18 21:23:26
    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...
  • 优点:最简单的地址映射方式,硬件简单,成本低,地址变换速度快,而且不涉及算法替换问题。 缺点:不够灵活,Cache的存储空间得不到充分利用,每个主存块只有一个固定位置可存放,容易产生冲突
  • 这样的映射方法比較灵活,cache的利用率高。但地址转换速度慢,且须要採用某种置换算法将cache中的内容调入调出,实现起来系统开销大。    直接相联映像: 特点:指主存的一个字块仅仅能映像到Cache的一...

空空如也

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主存与cache的地址映射