Cache映射

一、Cache基本概念

• 定义：Cache是位于CPU与主存之间的高速缓冲存储器，用于缓解CPU与主存之间的速度差异。
• 透明性：对程序员和编译器而言，Cache是透明的，程序员无需关心其存在与否，但理解Cache机制有助于编写高效程序。
• 基本术语：
  • 主存块（Block）：主存被划分为大小相等的块。
  • Cache行（Line）或槽（Slot）：Cache被划分为与主存块大小相同的行或槽。
  • 命中（Hit）：CPU访问的数据在Cache中。
  • 缺失（Miss）：CPU访问的数据不在Cache中，需从主存调入。

二、Cache映射方式（Cache Mapping）

Cache映射方式决定了主存块如何映射到Cache行中，主要有三种方式：

映射方式	特点	优点	缺点
直接映射（Direct Mapped）	每个主存块映射到Cache中固定的行	实现简单、命中时间短、无需考虑替换策略	不够灵活，易产生冲突缺失，Cache空间利用率低
全相联映射（Fully Associative）	每个主存块可映射到Cache任意行	灵活，冲突缺失为0，命中率高	实现复杂，需大量比较器，成本高，速度慢
组相联映射（Set Associative）	每组主存块映射到Cache固定组的任意行（组间模映射、组内全映射）	综合直接映射和全相联映射优点，兼顾灵活性与实现成本	实现较复杂，需一定数量比较器

三、Cache地址划分与组织结构

• 地址划分：
  • 标记（Tag）：用于标识主存块。
  • 索引（Index）：用于定位Cache行或组。
  • 字节偏移（Byte Offset）：用于定位块内具体字节。
• 有效位（Valid Bit）：
  • 标记Cache行数据是否有效（1有效，0无效或初始状态）。