Cache 的基础知识以及映射

前言:继续补硬件知识

存储器的层次结构

列出的时间和容量会随时间变化,但数量级相对关系不变

层次化存储器结构(Memory Hierarchy)

为什么这种结构会有用

  • 刚被访问的单元可能不久又被访问

    这叫做时间局部性。比如循环访问的数组单元啊。解决办法,就是把被访问的单元的信息保留在靠近 CPU 的存储器中。

  • 刚被访问过的单元的邻近单元很可能不久被访问

    这叫做空间局部性。比如遍历整个数组啊。解决办法,就是把被访问的单元的邻近单元保留在靠近 CPU 的存储器中。

这种结构就是位于 CPU 和 MM(Main Memory)的 Cache

如何操纵 Cache

整个简单的流程就是上面的图片那样。

有几点需要注意:

  • 在可执行文件中,程序给的是虚拟地址。不是真正主存地址,那 CPU 又是怎么给出主存地址呢?这是另外一个话题。。。(等我学会了我再写出来)
  • 是把包含 AD 内容的块读入 Cache 中,而不是仅仅把 AD 的内容放入 Cache 中

理解 Cache 的映射方式

有三种映射方式:

  • 直接(Direct): 每个主存的映射到 Cache 固定行
  • 全相联(Full Associate):每个主存映射到 Cache 的任一行
  • 组相联(Set Associate):每个主存映射到 Cache 的固定组的任一行

你可能对 Cache 的行还不是很了解。我会在例子中给出

直接映射

行号就是槽号

  • 把整块主存分为 128 块群
  • 每块群有 16 块

槽号的计算方式,假设有 16 行,也就是有 16 个槽号

槽号 = 块群 % 16

举个栗子:

右边第 17 块就应该放在 17 % 16 = 1 的槽号里面。

继续来说说主存地址主存标记块内地址主存地址就是来找主存单元的。假设我们已经有了「槽号」。

  • 主存标记

    现在,我们有槽号了,也就是知道我们要找的块在块群的哪个位置了。但是我们不知道他是属于哪个「块群」。主存标记就是用来存储块群的。一共有 128 个块群。所以一共有 7 位

  • 块内地址

    现在我们能够找到,这一块属于哪个块群的哪个块了。但是,我们找的是内存单元。一个「块」里面有很多个内存单元。在这里我们假设:每一个 块 = 512B。也就是说,要精确到内存单元的地址。需要 9 位地址。也就是块内地址。

用一个例子来解释直接巩固一下,直接映射

这个题的解题思路如下:

  • 首先要明白主存地址有三个部分:Cache 槽号 主存标记块内地址
  • 因为,一个块是 16B,所以块内地址就是 4 位
  • 因为,数据总量是 64KB,所以行号就是 64KB / 16B = 4 KB 也就是 12 位
  • 剩下的 16 位就是标签,也就是主存标记

在注意一点:这里多出来了一位 V

V 代表:

  • 为 1 表示信息有效,为 0 表示信息无效
  • 开机或复位时,使所有行的有效位 V = 0
  • 某行被替换后使其 V = 1
  • 某行装入新块时 使其 V = 1
  • 通过使 V = 0 来冲刷 Cache(例如:进程切换时,DMA传送时)

好的,我们继续来说说全相联(Full Associate)

全相连(Full Associate)

全相联就是:每一个块可以放在 Cache 的任何位置。

所以没有槽号这一说了,只剩下标记用来标记第多少块。

这两者都不好,最后说说这两者的结合:组相联(Set Associate)

组相联(Set Associate)

组相联(Set Associate)干了什么呢(还是原来的例子):

  • 保留了直接映射的特点:「槽号」

    但是槽号其实是变小了,只分了 8 组。也就是只有三位,原来是 1 块 1 组。现在是 2 块一组。

  • 在每一槽里面使用全相联:

    也就是说,每一槽不是有两行吗?两行可以随便放。就跟全相联一样,只不过全相联是把整个 Cache 都随便放了

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