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  • Cache高速缓存(命中率组相联全相联直接相联)
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    2019-11-07 23:24:24

    Cache高速缓存

    基本描述

    • 位于CPU和主存之间;容量一般在几千字节到几兆字节之间;速度比主存快5-10倍;

    由快速半导体组成、按内容存取

    • Cache访问速度仅此于CPU

    局部性原理

    • Cache改善系统性能的依据是局部性原理
      • 时间局部性
      • 空间局部性

    命中率

    • CPU所需要读取的指令/数据在Cache称命中
    • 若无命中,需访问主存

    映像

    地址映像:将主存与CACHE的存储空间划分为若干大小相同的页(或称为块)

    tip:主存中每页(块)多大,Cache同

    • 直接相联映像

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    • 硬件电路较简单、但冲突率很高

    • 主存中的第几块只能放在Cache中的第几块,冲突率高

    • 全相联印象

      [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-a6ZbRxXO-1573140240802)(C:\Users\JunSIr\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20191107210347902.png)]

    • 电路难于设计和实现、只适用于小容量的cache、冲突率较低

    • 主存中的任一块可以调入Cache中的任一块,则Cache中需要需要记录主存块号,但查询复杂

    • 组相联印象

      • Cache中的块(页)再分组、主存分区也再分组(如16块一个区、2块一个组、一个区8组)

      • 组采用直接映像、块采用全相联印象

      • 组相联和全相联的折中

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    Cache的基本原理


      Cache,中译名高速缓冲存储器,其作用是为了更好的利用局部性原理,以便减少CPU访问主存的次数。简单地说,CPU正在访问的指令和数据及附近的指令和数据,可能会被以后多次访问到。因此,第一次访问这一块区域时,将访问到的这一片区域(根据 Cache 大小决定)复制到 Cache 中,下次需要访问该区域的指令或者数据时,就不用再从主存中取出。

    基本概念

    Cache 缓存行(Cache line)
      Cache是由一组称为缓存行(Cache line)的固定大小的数据块组成,其大小是以突发读或者突发写周期的大小为基础的。每个高速缓存行完全是在一个突发读操作周期中进行填充或者下载的。即使处理器只存取一个字节的存储器,高速缓存控制器也启动整个存取器访问周期并请求整个数据块。缓存行第一个字节的地址总是突发周期尺寸的倍数。缓存行的起始位置总是与突发周期的开头保持一致。当从内存中取单元到 Cache 中时,会一次取一个Cache line 大小的内存区域到 Cache 中,然后存进相应的Cache line 中。

    Cache 命中率
      缓存命中率是影响缓存性能的重要指标之一,表示在处理器与存储器交互过程中,数据从缓存中读取的比率。

    Cache 更新策略(Cache update policy)
      Cache 更新策略是指当发生 Cache 命中时,写操作应该如何更新数据。Cache更新策略分成两种:写直通和回写。

    写直通(write through)
      写直通又称写穿,当CPU执行store指令并在cache命中时,我们更新cache中的数据并且更新主存中的数据。cache和主存的数据始终保持一致。

    写回(write back)
      当CPU执行store指令并在cache命中时,我们只更新cache中的数据。每个cache line中会有一个bit位记录数据是否被修改过,称之为dirty bit。主存中的数据可能是未修改的数据,而修改的数据躺在cache中。cache和主存的数据可能不一致。

    读分配(read allocation)
      当CPU读数据时,发生cache缺失这种情况下都会分配一个cache line缓存从主存读取的数据默认情况下, cache都支持读分配。

    写分配(write allocation)
      当CPU写数据发生cache缺失时,才会考虎写分配策略。当我们不支持写分配的情况下,写指令只会更新主存数据,然压就结束了。当支持写分配的时候,我们首先从主存中加载数据到cache line中 (相当于先做个读分配动作),然后会更新cache line中的数据。

    歧义(ambiguity)
      歧义是指不同的数据在 Cache 中具有相同的 Tag 和 index。例如:A 进程将物理地址 0x1000 映射到虚拟地址的 0x5000 ,B 进程将虚拟地址 0x1000 映射到物理地址 0x3000 。当 CPU 从 A 进程切换到 B 进程时,在访问虚拟地址 0x1000 时,此时 B进程 的 虚拟地址的 Tag 和 index 与 A 进程在访问虚拟地址 0x1000 时相同,则会出现 Cache 虽然命中,但访问到的数据并不是 B进程需要的数据,此时便出现 Cache歧义。

      歧义问题可以经过操作系统进行避免,当进行进程切换时,对 Cache 进行清除(Flush ),即清除 Cache 中的所有数据,在进程切换后,CPU 读数据时,在进行加载。但是由于进程切换后开始时会有大量的 Cache miss 发生,故会对 Cache 的性能有很大影响。

    别名(alias)
      当不同的虚拟地址映射相同的物理地址,而这些虚拟地址的 index 不同时就会发生别名问题。


    Cache 的一般设计


    Cache 的映射方式

    直接映射

      内存与 Cache 采用直接映射(direct-mapped)方式关联示意图如下图1所示:
     
    直接映射Cache

    图1 直接映射
     

      如上图1 所示,Cache 与内存采用直接映射方式,其中 Cache 的大小(Cache Size)为 64 Bytes,缓存行(Cache line)的大小为 8 bytes。

      直接映射采用内存与 Cache 多对一的方式,是最简单的地址映射方式,并且其硬件设计简单,成本低,地址变换速度快,而且不涉及替换算法问题。但是这种方式不够灵活,Cache 的存储空间并不能得到充分利用,每个主存块只有一个固定位置可存放,容易产生冲突,使 Cache 效率下降,因此只适合大容量 Cache 采用。例如,如果一个程序查询的地址为 0x1000_0000 后查找 0x1000_0040 之后再去查找 0x1000_0000、0x1000_0040,每次查找的地址正好跨过了 Cache 的大小,此时,每次查询 Cache 时,都会出现 Cache 缺失(miss),这会使 Cache 不断的进行替换,这种现象称为 Cache 颠簸。最好的方式是将主存 0x1000_0000 与 0x1000_0040 同时复制到 Cache 中,但由于是直接映射的方式,它们都只能复制到 Cache 的第0个 Cache line 中去,即使 Cache 中别的存储空间空着也不能占用,因此这两个块会不断地交替装入Cache中,导致 Cache 命中率降低。

    优点

    • 硬件实现简单,成本低

    缺点

    • 灵活性差
      每个主存块只有一个固定的行可以存放,因此即便cache中有大量空闲空间可用,某个cache块所存储的内容仍可能被替换出去。如果cache容量比较小,则非常容易发生冲突,频繁替换,效率大大降低。
    • 直接映射方式一般用于大容量的 Cache 中。
    • 会造成 Cache 的颠簸。

    全相联映射

      在全相连(fully-associative)的方式中,对于一个存储器地址来说,它的数据可以放在任意一个 Cache line 中。全相联映射方式内存与 Cache 关联示意图如下图2所示:

    在这里插入图片描述

    图2 全相联映射
     

      如上图2所示,内存中任何一块都可以映射到 Cache 中的任何一个 Cache line 中。

    优点

    • 灵活性好
      Cache中只要有空行,就可以调入所需的主存数据块。

    缺点

    • 利用效率不高
      因为存在了一个m位的标记位,使cache的行包含了一些对存储无用的信息。
    • 速度慢、硬件成本高
      每次访问cache时,需将一个一个遍历并比较标记,才能判断所需主存的字块是否在 Cache 中。

    组相联映射

      以两路组相联映射为例
     
    组相联映射

    图3 组相联映射
     

      组相联(set-associative)映射实际上是直接映射和全相联映射的折中方案,存储器中的一个数据不单单只能放在一个 Cache line中,而是可以放在多个 Cache line 中,对于一个组相连结构的 Cache 来说,如果一个数据可以放在 n 个位置,则称这个 Cache 是 n 路组相连的 Cache (n-way set-associative Cache)。

      组相联映射可看成内存与 Cache的 之间采用直接映射,而 组内 采用全相联映射。即在图3中,Cache的组0的 Cache line 0~3可以存储 0x1000_0000、0x1000_0008、0x1000_0010、0x1000_0018 中任意一个地址块,也可以存储 0x1000_0040、0x1000_0048、0x1000_0050、0x1000_0058 中任意一个地址块,如下图4所示:

    组相联映射内部

    图4 组相联映射内部
     

    特点

      组内有一定的灵活性,而且因组内行数较少,比较的硬件电路比全相联方式简单。并且空间利用率比直接映射方式要高。


    Cache的地址变换

    直接映射方式地址变换

      直接映射方式地址变换如下图5所示:
     
    直接映射地址转换

    图5 直接映射地址变换
        直接映射的 Cache 存储器,在处理器访问存储器时,地址被分为三个部分,Tag、index 和 Offset,如上图5所示,首先,通过 index 在 Cache 中找到对应的 Cache line ,由于所有 index 相同的地址都会所引导相同的 Cache line ,这时就需要 Cache line 中 Tag 部分与传来地址的 Tag 部分作比较,如果匹配,则 Cache 命中(hit),不匹配则 Cache 缺失(miss)。接下来通过传来地址的 Offset 部分就可以定位到需要查找的字节。在 Cache line 中还有一个有效位(valid),用来保存当前的 Cache line 是否有有效的数据。

    全相联方式映射地址变换

      全相联映射地址变换如下图7所示:
    在这里插入图片描述

    图6 全相联映射地址变换
     

      全相联映射对于存储器地址来说,它可以存储在任意一个 Cache line 中,即相当于省略了 index 部分,而是在整个 Cache 中对每个 Cache line 的 Tag 部分进行比较,查找到比较结果相等的 Cache line ,这种方式相当于直接使用存储器的内容来寻址。全相连结构的 Cache 有着最大的灵活度,因此它的缺失率是最低的,但是很明显可以看出,由于有大量的内容需要进行比较,它的延迟也是最大的,因此一般这种结构的 Cache 都不会有很大的容量。

    组相联映射方式地址变换

      两路组相联映射地址变换如下图7所示:

    在这里插入图片描述

    图7 2路组相联映射地址变换
     

      组相联映射的数据会存放于多个 Cache line 中,在处理器访问存储器时,使用 index 对 Cache line 进行寻址,此时会得到两个 Cache line ,接下来同时对两个 Cache line 的 Tag 部分与传入的地址的 Tag 部分进行比较,找出对应的 Cache line。最终通过有效位(valid)位决定此 Cache line 是否有效,若有效,则根据传入的 Offset 找到对应的数据。


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    参考资料

    《超标量处理器设计-姚永斌》

    知乎专栏:高速缓存与一致性

    博客园:Cache Line操作和Cache相关概念介绍

    哔哩哔哩:计算机组成原理cache组相联映射

    展开全文
  • Cache的地址映射方式有直接映射、全相联映射和组相联映射。 假设某台计算机主存容量为1MB,被分为2048块,每个Block为512B;Cache容量为8KB,被分为16块,每块也是512B。 下面以此为例介绍三种基本的地址映射方法。...

    ---- Cache的容量很小,它保存的内容只是主存内容的一个子集,且Cache与主存的数据交换是以块(cache line)为单位的。为了把信息放到Cache中,必须应用某种函数把主存地址定位到Cache中,这称为地址映射

    ---- 在信息按这种映射关系装入Cache后,CPU执行程序时,会将程序中的主存地址变换成Cache地址,这个变换过程叫做地址变换。

    Cache的地址映射方式有直接映射全相联映射组相联映射

    假设某台计算机主存容量为1MB,被分为2048块,每个Block为512B;Cache容量为8KB,被分为16块,每块也是512B。

    下面以此为例介绍三种基本的地址映射方法。

    1. 直接映射

    ---- 一个内存地址能被映射到的Cache line是固定的。就如每个人的停车位是固定分配好的,可以直接找到。缺点是:因为人多车位少,很可能几个人争用同一个车位,导致Cache淘汰换出频繁,需要频繁的从主存读取数据到Cache,这个代价也较高。

    直接映射的Cache组织如图(1)所示。主存中的一个块只能映射到Cache的某一特定块中去。例如,

    主存的第0块、第16块、第32块、第48块、……、第2032块等128块,只能映射到Cache的第0块;

    主存的第1块、第17块、第33块、第49块、……、第2033块等128块,只能映射到Cache的第1块;

    以此类推,主存的第15块、第31块、第47块、……、第2047块等128块,只能映射到Cache的第15块中。

    映射完毕,Cache总共有0~15即16块,主存中的每128(2048/16)块,只能映射到Cache中的某一个块中。

    即映射规则为cache line index = (主存(Page)的line数)%(cache中 cache line的总数)

    主存的line数是0~2047,cache中cache line的总数是16.

      

                                              图(1)

    直接映射是最简单的地址映射方式,它的硬件简单,成本低,地址变换速度快,而且不涉及替换算法问题。但是这种方式不够灵活,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,使Cache效率下降,因此只适合大容量Cache采用。例如,如果一个程序需要重复引用主存中第0块与第16块,最好将主存第0块与第16块同时复制到Cache中,但由于它们都只能复制到Cache的第0块中去,即使Cache中别的存储空间空着也不能占用,因此这两个块会不断地交替装入Cache中,导致命中率降低。

    2. 全相联映射

    ---- 主存中的一个地址可被映射进任意cache line,问题是:当寻找一个地址是否已经被cache时,需要遍历每一个cache line来寻找,这个代价很高。就像停车位可以大家随便停一样,停的时候简单,找车的时候需要一个一个停车位的找了。

    图(2)是全相联映射的Cache组织,主存中任何一块都可以映射到Cache中的任何一块位置上。

      

                                             图(2)

    全相联映射方式比较灵活,主存的各块可以映射到Cache的任一块中,Cache的利用率高,块冲突概率低,只要淘汰Cache中的某一块,即可调入主存的任一块。但是,由于Cache比较电路的设计和实现比较困难,这种方式只适合于小容量Cache采用。

    3. 组相联映射

    ---- 组相联映射实际上是直接映射和全相联映射的折中方案,其组织结构如图(3)所示。

    主存和Cache都分组,主存中一个组内的块数与Cache中的分组数相同,组间采用直接映射,组内采用全相联映射。也就是说,将Cache分成2^u组,每组包含2^v块,主存块存放到哪个组是固定的,至于存到该组哪一块则是灵活的。即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b与Cache的组k之间满足以下关系:k=b%(2^u).

    例如,Cache分为8组(u=3),每组2块(v=1),主存分为128个区,每个区16块。

     

                                                      图(3)

    主存中的各块与Cache的组号之间有固定的映射关系,但可自由映射到对应Cache组中的任何一块。例如:

    --主存的第0块、第2^u块、第2×(2^u)块、…第255x(2^u)即255x8=2040块等256块均映射于Cache的第0组,但可映射到其中的第0块或第1块

    --主存的第1块、第2^u+1块、第3^(2^u)+1块、…第255x(2^u+1)即2041块等均映射于Cache的第2组,但可映射到Cache第2组中的任意一块;

    --主存的第2块、第2^u+2块、第(2^u)x2+2块、…第2042块等均映射于Cache的第3组,但可映射到Cache第3组中的任意一块;

    --主存的第7块、第2^u+7块、第2^(u+1)+7块、…第2047块等均映射于Cache的第8组,但可映射到Cache第8组中的第14块或第15块。

    常采用的组相联结构Cache,每组内有2、4、8、16块,称为2路、4路、8路、16路组相联Cache。以上为2路组相联Cache。组相联结构Cache是前两种方法的折中方案,适度兼顾二者的优点,尽量避免二者的缺点,因而得到普遍采用。

    实例分析:

    1.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。

    :组相联的地址构成为:区号+组号+块号+块内地址。

    主存的每个分区/组大小与整个Cache大小相等,故此主存需要分的区数为:4096/64=64,因为26=64,因此需要6位来表示区号。每4块为一组,故共有组数 64/4 = 16 ,因为24=16,因此需要4位表示组号。每组4块,故表示块号需要2位。

    块内地址共128字节,27=128,所以块内地需要7位表示。所以:主存地址的位数=6+4+2+7 = 19

    主存区号的位数=6

    个人见解:Cache有u组,每组有v块,即u = 16,v = 4,Cache大小:64块×128B = 8KB

    主存大小:4096×128B = 2^12*2^7 = 2^19,即主存地址有19位。4096/64= 2^6主存区号为6位。

    2.某 32 位计算机的 cache 容量为 16KB,cache 块的大小为 16B,若主存与 cache 的地址映射采用直接映射方式,则主存地址为 1234E8F8(十六进制)的单元装入的 cache 地址为__C__。

    A. 00 0100 0100 1101 (二进制)
    B. 01 0010 0011 0100 (二进制)
    C. 10 1000 1111 1000 (二进制)
    D. 11 0100 1110 1000 (二进制)

    :Cache大小为16KB,块大小为16B,所以Cache被分成16KB/16B=1024块,因210=1024故需要10位来表示块数

    24=16故块内地址需要4位来表示。所以Cache的地址线位置为14位。

    由于采用直接映像的方式,所以主存的后14位就是要装入的到Cache中的位置。故选 C.

    个人见解:Cache的容量是16KB = 16×1024B = 16384B,主存的地址为0x1234E8F8/(16×1024B)= 18643. 该地址对应的是主存的第18643块。

    根据公式:cache的块地址i = 主存的块地址 % 16384 = 1234E8F8 - 1234C000 = 0x28F8 选C

     

     

    展开全文
  • Cache与主存之间的全相联映射,直接映射和组相联映射的区别 1.高速缓冲存储器的功能、结构与工作原理  高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器,由静态存储芯片(SRAM)组成,容量比较小但速度比主存高得...

     Cache与主存之间的全相联映射,直接映射和组相联映射的区别

    1.高速缓冲存储器的功能、结构与工作原理

      高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器, 由静态存储芯片(SRAM)组成,容量比较小但速度比主存高得多,接近于CPU的速度。 Cache的功能是用来存放那些近期需要运行的指令与数据。目的是提高CPU对存储器的访问速度。为此需要解决2个技术问题:一是主存地址与缓存地址的映象及转换; 二是按一定原则对Cache的内容进行替换。

    Cache的结构和工作原理如图2.3.1所示。 

      

     

    主要由三大部分组成:

    Cache存储体:存放由主存调入的指令与数据块。

      地址转换部件:建立目录表以实现主存地址到缓存地址的转换。

      替换部件:在缓存已满时按一定策略进行数据块替换,并修改地址转换部件。

     

     

    2.地址映象与转换

      地址映象是指某一数据在内存中的地址与在缓冲中的地址,两者之间的对应关系。下面介绍三种地址映象的方式。

    1.全相联方式

      地址映象规则:主存的任意一块可以映象到Cache中的任意一块

    (1) 主存与缓存分成相同大小的数据块。

    (2) 主存的某一数据块可以装入缓存的任意一块空间中。

      全相联方式的对应关系如图2.3.2所示。如果Cache的块数为Cb,主存的块数为Mb,则映象关系共有Cb×Mb种。

     

     

    图2.3.3示出了目录表的格式及地址变换规则。 目录表存放在相关(联)存储器中,其中包括三部分:数据块在主存的块地址、存入缓存后的块地址、及有效位(也称装入位)。由于是全相联方式,因此,目录表的容量应当与缓存的块数相同。

     

    举例:某机主存容量为1M,Cache的容量为32KB, 每块的大小为16个字(或字节)。 划出主、缓存的地址格式、 目录表格式及其容量。

     

      容量:与缓冲块数量相同即211=2048(或32K/16=2048)。  

    优点:命中率比较高,Cache存储空间利用率高。

    缺点:访问相关存储器时,每次都要与全部内容比较,速度低,成本高,因而应用少。

    2.直接相联方式

      地址映象规则: 主存储器中一块只能映象到Cache的一个特定的块中。

    (1) 主存与缓存分成相同大小的数据块。

    (2) 主存容量应是缓存容量的整数倍,将主存空间按缓存的容量分成区,主存中每一区的块数与缓存的总块数相等。

    (3) 主存中某区的一块存入缓存时只能存入缓存中块号相同的位置。

      图2.3.4示出了直接相联映象规则。 可见,主存中各区内相同块号的数据块都可以分别调入缓存中块号相同的地址中,但同时只能有一个区的块存入缓存。由于主、缓存块号相同,因此,目录登记时,只记录调入块的区号即可。

     

      图2.3.5示出了主、 缓冲地址格式、目录表的格式及地址变换规则。主、缓存块号及块内地址两个字段完全相同。目录表存放在高速小容量存储器中,其中包括二部分:数据块在主存的区号和有效位。目录表的容量与缓存的块数相同。

     

      

    地址变换过程:用主存地址中的块号B去访问目录存储器, 把读出来的区号与主存地址中的区号E进行比较, 比较结果相等,有效位为1,则Cache命中,可以直接用块号及块内地址组成的缓冲地址到缓存中取数;比较结果不相等,有效位为1, 可以进行替换,如果有效位为0,可以直接调入所需块。

    优点:地址映象方式简单,数据访问时,只需检查区号是否相等即可,因而可以得到比较快的访问速度,硬件设备简单。

    缺点:替换操作频繁,命中率比较低。

      举例:上例中,主存容量为1M, Cache的容量为32KB,每块的大小为16个字(或字节)。划出主、缓存的地址格式、目录表格式及其容量。

     

      容量:与缓冲块数量相同即211=2048(或32K/16=2048)。

     

    3.组相联映象方式

      组相联的映象规则:

    (1) 主存和Cache按同样大小划分成块。

    (2) 主存和Cache按同样大小划分成组。

    (3) 主存容量是缓存容量的整数倍,将主存空间按缓冲区的大小分成区,主存中每一区的组数与缓存的组数相同。

    (4) 当主存的数据调入缓存时,主存与缓存的组号应相等,也就是各区中的某一块只能存入缓存的同组号的空间内,但组内各块地址之间则可以任意存放, 即从主存的组到Cache的组之间采用直接映象方式;在两个对应的组内部采用全相联映象方式。

      图2.3.6示出了组相联的映象关系, 图中缓存共分Cg个组,每组包含有Gb块; 主存是缓存的Me倍,所以共分有Me个区, 每个区有Cg组,每组有Gb块。那么, 主存地址格式中应包含4个字段:区号、区内组号、组内块号和块内地址。 而缓存中包含3个字段:组号、组内块号、块内地址。主存地址与缓存地址的转换有两部分,组地址是按直接映象方式,按地址进行访问,而块地址是采用全相联方式,按内容访问。组相联的地址转换部件也是采用相关存储器实现,见图2.3.7。

      相关存储器中每个单元包含有: 主存地址中的区号E与组内块号B,两者结合在一起,其对应的字段是缓存块地址b。相关存储器的容量,应与缓存的块数相同。当进行数据访问时,先根据组号,在目录表中找到该组所包含的各块的目录,然后将被访数据的主存区号与组内块号,与本组内各块的目录同时进行比较。如果比较相等,而且有效位为“1”则命中。

     

      将其对应的缓存块地址b送到缓存地址寄存器的块地址字段,与组号及块内地址组装即形成缓存地址。如果比较不相等,说明没命中,所访问的数据块尚没有进入缓存,则进行组内替换;如果有效位为0,则说明缓存的该块尚未利用, 或是原来数据作废,可重新调入新块。

      优点:块的冲突概率比较低,块的利用率大幅度提高,块失效率明显降低。

      缺点:实现难度和造价要比直接映象方式高。

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    千次阅读 多人点赞 2019-06-24 11:27:34
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  • 5全相联.pptx————电子版_pptx版
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  • 高速缓存-直接映射&全相联&组相联

    千次阅读 2019-06-12 15:58:50
    全相联高速缓存:一共只有一个组 高速缓存确定一个请求是否命中,然后抽取被请求的字的过程,分为三部: 1⃣️组选择 2⃣️行匹配 3⃣️字抽取 直接映射高速缓存 组选择 从w的地址中抽出s个索引位确定是...
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  • 文章目录一:全相联映射二:直接映射三:组相连映射 前面说过,Cache中实际保存的是主存中的数据副本,所以这里会涉及一个很重要的问题:Cache和主存是如何映射的?所谓地址映射是指把主存地址空间映射到Cache地址...
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  • 第5关:直接相联cache设计.txt
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空空如也

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