Cache映射方式

映射方式决定了主存块如何放置到 Cache 的行中。

1. 全相联映射 (Fully Associative)

• 规则: 主存中的任意一块可以装入 Cache 中的任意一行。
• 优点: 灵活，块冲突概率最低，Cache 利用率高。
• 缺点:
  • 地址变换复杂，需要查阅目录表（或使用昂贵的相联存储器进行并行查找）。
  • 查表过程会增加访问延迟，影响 Cache 访问速度。 重点

2. 直接映射 (Direct Mapping)

• 规则: 每个主存块只能映射到 Cache 的固定行中。
  • 公式: $\text{Cache 行号}=\text{主存块号}(\mathrm{mod}\text{Cache 总行数})$。 重点
• 优点: 地址变换速度最快，硬件简单。
• 缺点: 块冲突概率最高，容易出现“抖动”现象。

3. 组相联映射 (Set-Associative)

组相联映射是直接映射与全相联映射的折中方案，是现代计算机最常用的方式。

• 逻辑结构:

  • 将 Cache 分成 $Q$ 个组 (Set)，每组包含 $k$ 个行 (Line)。
  • 若每组包含 $k$ 个行，则称为“$k$ 路组相联”（例如图片中每组有 2 行，即为 2 路组相联）。

• 映射规则:

  • 组间直接映射: 主存块号按模运算决定其所属的 Cache 组号。
  • 组内全相联: 主存块可以存入所属 Cache 组内的任意一行。 重点

• 数学公式:

  • $\text{Cache 组号}=\text{主存块号}(\mathrm{mod}\text{Cache 组数 }Q)$

• 图片逻辑解析:

  • 主存分区: 主存被划分为若干个区（如区 0、区 1…），每个区的块数等于 Cache 的组数 $Q$。
  • 映射关系: 主存每个区中相对位置相同的块，映射到同一个 Cache 组。例如：
    • 区 0 的 0 号块、区 1 的 0 号块（全局 4 号块）均映射到 Cache 的 组 set0。
    • 进入组内后，该块可以放置在 set0 的第 0 行或第 1 行中的任何一个。

• 特征: “组间直接，组内全相联”。

• 优点:

  • 兼顾了直接映射的低成本（查找范围缩小到组内）和全相联的高利用率（组内有多个位置可选）。
  • 有效降低了块冲突（抖动）的概率。 重点