计算机系统结构之Cache

一、全相联映像和变换

全相联映像的主存-Cache地址变换过程如图：

给出主存地址Nm访存时，将其主存块号Nmb与目录表(硬件)中所有各项的Mmb字段同时相联比较。若有相同的，就将对应行的Cache块号Ncb取出，拼接上块内地址Nmr形成Cache地址Nc，访Cache；若没有相同的，表示该主存块未装入Cache,发生Cache块失效，由硬件调块。

优点：块冲突概率最低，只有当Cache全部装满才可能出现块冲突，所以，Cache的空间利用率最高。缺点：构成容量为2^Ncb项的相联存储器，其代价太大，而且Cache容量很大时，其查表速度很难提高。

全相联地址变换：

二、直接映像及其变换

把主存空间按Cache大小等分成区，每区内的各块只能按位置一一对应到Cache的相应块位置上(主存第i块只能唯一映像到第imod2^Ncb块位置上)

直接映像的主存-Cache地址变换过程如下：

处理机给出主存地址Nm访主存时，截取与Nc对应的部分作为Cache地址访Cache，同时取Ncb部分作为地址访问区号标志表存储器，读出原来所存的区号标志与主存地址对应的区号部分比较。如果比较相等，表示Cache命中，让Cache的访问继续进行，并中止访主存；如果比较不等，表示Cache块失效，此时让Cache的访问中止，而让主存的访问继续进行，并由硬件自动将主存中该块调入Cache。

优点：节省硬件，只需容量较小的按地址访问的区号标志表存储器和少量外比较电路，成本很低。访问Cache与访问区号表、比较区号是否相符的操作是同时进行的，当Cache命中时意味着省去了地址变换的时间。缺点：Cache的块冲突概率很高。只要有两个或两个以上经常使用的块恰好被映像到Cache的同一块位置时，就会使Cache命中率急剧下降。Cache的空间利用率很低。

三、组相联映像及其变换

组相联映像指的是各组之间是直接映像，而组内各块之间是全相联映像。

Nd、q是1位，s是2位，主存的第0组只能进入Cache的0组，第1组只能进入Cache的1组。组内的各个快，如主存的0-3及8-11块可进入Cache的第0-3块中的任意一块，但不能进入Cache的4-7块。