计算机组成原理

梳理

基本思想：分块

主存分块，一共有2^s块，编号从0开始

Cache分行，一共2^r行，编号从0开始

Cache每行的大小与主存每块的大小相同，大小为2^w个字

字是CPU每次访问存储器时可存取的最小单位

但Cache块数肯定是要小于主存块数的

 这里要注意，主存的标记位为s位，而主存分块一共分了2^s块，每块的大小为2^w个字，而主存的块内地址有w位。

全相联映射的工作原理

主存和cache均被分为固定大小的数据块，主存分块，Cache分行，主存的块和Cache的行大小相同

主存地址可以被细分为主存块地址和块内偏移地址

映射算法：主存的数据块可映射到Cache任意行，即主存中的某一数据块可以放置在cache中的任意块，如主存0可以放在cache中的任何一块，同样其他主存块也一样，但这给查找带来了麻烦，cache块中的数据到底是主存块中的哪一块的数据

这里引出一个例子

设每块4个字，主存大小为1024个字，则第61个字的主存地址为

将61转换为二进制，00001111   01，前者是块号，后者是块内地址

将主存分块之后，就将原来的一维地址变成了二维地址

查找表中还包括有效位valid，以及dirty位，描述数据的一致性。 Valid位为零表示空行，为1表示有数据副本，dirty为1表示cache中的数据和主存中的原始数据不一致，在淘汰时要进行数据一致性的维护。

在比较的同时还需要关注valid位，valid位与1进行比较，valid位为零的行是空行，不存在数据。

多路比较的结果有两种可能，1，所有比较器比较结果都是不相等，表示缺失，2，有一个比较器比较相符，表示数据命中，所以这里命中信号应该是所有比较结果的逻辑或操作。如果命中，可以直接由cache地址块地址去访问对应的cache行。  这就是全相联映射的基本框架。

 主存有2^s次方块，每块有2^w次方个字，所以主存容量2^(s+w)

Cache容量求法

只考虑有效位，意思是不考虑脏数据位，所以每块有一位有效位，还有标记位s位，用于储存主存的块地址最后加上块的大小就可以了

以这个ppt为例，实践一下刚才的求法

主存容量256个字=2^8个字，分成64块=2^6,,说明s=6,标记位有6位

直接调用公式，，完美求解

每块有4个字.4=2^2,说明w=2,块内地址是2位  

哦，对了，，还有一件事，要注意，，那个访问序列，，，

 这个是十六进制，1F直接转二进制，00011111,000111,是标记位，11是块内地址位，每块4个字，用两个二进制数就可以完美表示

然后就按照那个顺序，为空（不命中）填入，不为空（命中）替换就好

全相联映射特点

1.Cache利用率高

2.块冲突率低

3.淘汰算法复杂

应用于小容量Cache

直接映射

和全相联映射一样，还是主存分块，Cache分行，主存的块与Cache的行大小相同

不同点来了

主存分块后还将以Cache行数为标准进行分区

那么问题来了，怎么分区嘞？由于块的大小一样，主存分的块的数目必然大于Cache分的块的数目，Cache有m块，那么主存就以m块为界限进行分区，注意这里的区号同样从0开始

看上面，，，，Cache行数m=2^r,懂了吧

再引入一个例子

主存大小为1024个字，每块4个字，Chche分为4行，第61个字的主存地址为

将61化为二进制数的0000110001,000011为区号，11为区内块号，01位块内地址，，将主存地址从一维变成了三维

映射算法

Cache共m行，主存第j块号映射到Cache的行号为i=jmodm,,即主存的数据块映射到Cache的特定行，而不是任一行（块号，行号都从0开始）

每个区都有m块，那么主存每个区的每一块都会映射到Cache特定的一行上，并且循环进行

 直接映射查找的时候就方便多啦，我们只需要直接查找行地址就好啦，如果为空（没命中），直接填入，如果不为空（命中），就直接替换

就是先根据行号找到对应的行，然后比较标志位，如果为空就填入，如果已有标志位就替换

这里又要计算Cache容量

主存容量256个字，分为64块，64=2^6，不同于全相联映射，这里主存在分块的基础上又会进行分区操作，Cache有8块=2^3,

s=6,r=3,所以区地址有3位（区地址是直接映射的标记地址），行地址有3位，块内地址还是2位（忘记了就看看上面）

所以计算Cache容量（1位有效位+3位标记位+副本容量）*行数

还有就是别忘了给出的访问序列是十六进制，，一位化四位之后再分块

直接映射的特点

1.Cache利用率低

2.块冲突率高

3.淘汰算法简单

适用于大容量Cache

 还有这个题要注意一点，

主存分为2048块=2^11，，表明高11位是主存的块号，全相联映射中主存块号是标志位，而在直接映射中，将区号作为了标志位，但是主存块号是不变的

组相联映射

 主存分块，Cache分行，主存的块和Cache的行大小相同

Cache分组，原则非常简单，只要保证每组中行数相同即可，假设Cache分了n组

之后还要将主存进行分组，主存分块后还将以Cache组数为标准进行分组，Cache分了n组，那么主存就以n块为一组进行分组

、

同样滴，这里的组号也是从0开始

你再看这个d，是不是又很熟悉呢？Cache分成u组，u=2^d，这样就很容易分开

映射算法： Cache共n组，主存第j块号映射到Cache的组号为

i=jmodn（Cache分了n组，主存以n块为一组进行分组）

主存的每组一循环，映射全部的Cache

i是一个余数，余几Cache组号就是几

主存的数据块映射到Cache特定组的任意行

再再再来一个例子

设每块4个字，主存大小为1024个字，Cache分为两组，求第61个字的主存地址

61化成二进制，为0000111101,0000111为主存组号，1为Cache组号，01为块内地址

主存地址从一维变成了三维

介个比较的时候首先找到对应的Cache组号，如果没命中（为空），直接填入；如果命中（标志位）相同，直接替换就好啦

如果这组没满，就直接填直到满了为止，填哪个都无所谓，如果满了，就随便替换一行就好

又又又又要计算Cache容量了，是不是发现每种映射方式的套路都一样

主机容量256个字，=2^8，划分为64块=2^6，Cache分为8块，

由图可知，将Cache分成了4组，4=2^2，d=2;

那么标记位有4位，组号有两位，块内地址有两位（2^w=4别忘了）

这个题就很容易，理解方式同上，主存块号是不变的，变的是标记位

组相联映射可以看做全相联映射和直接映射的特殊情况

假设Cache是m行n路组相联，即n行一组

那么当n=m的时候，组相联变成了全相联，，，因为只有一组

而当n=1时，Cache一行为一组，相当于没分组，就变成了直接相联

组相联同时具有全相联和直接映射相联的特征