Cache是指位于CPU和主存之间的一个高速小容量的存储器，一般由SRAM构成。

目录

Cache 的作用及实现提高访存速度的原理

 cache/主存访问时间

主存块在不同映射方式下，主存地址格式的计算

全相联映射

 例子

直接映射

例子 

组相联映射

 例子：

总结：

 Cache功能：用于弥补CPU和主存之间的速度差异， 提高CPU访问主存的平均速度。

 例题

CPU执行一段时间时，Cache完成存取的次数为3900次，主存完成的存取次数为100次，已知cache的存储周期为40ns，主存的存储周期为240ns。求cache/主存系统的效率和平均访问时间？

（PS(错误修正！)：97.5%+40ns改为97.5%*40ns

0.25%改为2.5%

） 

Cache的数据块称为行，主存的数据块称为块，行与块是等长的；

主存容量为2^m块，Cache容量为2^c行，每个字块中含2^b字。最重要的是单位要化到统一才能计算

地址映射：根据主存地址，判断访问字所处的块， 是否在cache某行中，决定一次CPU的访存是否命中 Cache。本质上是对主存的地址进行“解析” .

 主存与地址映射的方式与三种

特点：是多对多的映射关系：对于主存的任何一块均可以映射到Cache的任何一行，主存块的编号是唯一的。

映射过程：

1）主存方向看，一个主存块可以映射到任意一个空的行上；

2）Cache方向看，一个行上可以存放任意一个主存块；

优点：机制灵活，命中率高。

缺点：比较器电路难于设计和实现，因此只适合于小容量的Cache。

（1）行与块等大小，主存的任意块可以映射到cache的任意行，直到cache所有的行放满为止； （2）主存的地址分为2部分：块号＋字。块号是主存各个块的标志（tag），块号的编码长度由主存的块数决定； 就比如求cache中多少个行，如果是全相联的话，就cache大小/每一块的大小

每一块有16个单元，则块内地址2^4=16，为4为；

（3）放入cache缓存的块，其块号与块的内容一起被拷贝 到cache某一行中；

（4）在cache中，全部标志tag使用相联存储器实现，全部数据使用SRAM实现；

在每一行中，因为要节约大小，不可能每一个行中都只放主存中一个地址，这样太浪费空间了

，所以就有全相联的方式 。例如每一块有4个单元，主存地址总线为16位，则：

（5）块冲突率低， cache利用率高，判决速度慢。比较器难以设计，只适合小容量cache使用。

相对于直接映射来说，比较器太难设计了

区别于全相联映射，直接映射是把一个主存块只能映射到cache中的唯一行上。主存的块按cache的行数循环编号，相同的块号映射到cache中相同的行位置上。主存块号不唯一。

这么做的方式就是减少比较器的设计，不用一个个比对，更容易找到所在的主存映射到cache的块

我的理解：就是在全相联的基础上把每一个块按规定摆放，这样子就在全相联的结构中的tag再分出行号（tag变小了。。），通过这个主存块上的行号，规定每一个主存块只能放到它所固定的行上。

特点：

地址变换速度快，块冲突率高，适合于大容量cache的场合，通过增加行数来减少冲突概率。

 主存地址格式： tag（大组号）、行（块）号、块内字地址

主存地址：S+W位——2^S块、块内2^W个字,Cache的行数=2^r  标记tag=S-r 

例题二：主存容量为512KB，Cache容量为4KB，每个字块为16个字，每个字32位。

1）Cache地址有多少位，可容纳多少块？

2）主存地址有多少位，可容纳多少块？

3）在直接方式下，主存的哪些块可映射到Cache中的第5行？

4）画出直接映射方式下主存地址字段中各段的位数。

5）全相联映射方式下的主存块B971，直接映射方式下，可以调入到Cache的哪一行？

解：

1）Cache容量4KB，2^12=4KB，地址位数为12位，由于每个字32位(题目有讲) ,  所以每个字32位/8=4字节(B)【由一个字节为8位可知】

Cache有4KB/4B=1K字 ，每个字块有16个字(题设，所以块内地址位数为4)，故 Cache有1K/16=64=2^6行(行地址位数为6位)；

2）主存容量512KB（2^19），主存有512KB/4B(32位)=128K 个字，有128K/16(题设1块16字)=8192=2^13块；每块有16=2^4个字 =2^6B(字节)【一个字32/8=4B】；

3）直接映射下，Cache有64行，主存有8192块，主存 的第4、64+4、2*64+4、……（2^7-1）*64+4能够映 射到Cache的第5行（行号L4,即000100）；

4）字块内地址6位（字节），Cache字块地址6位，主存字块标记地址=19-12=7位，或者是 13-6=7位 

5）方法1：把B971块号转换为二进制数， 确定出tag和行地址编码，计算十进制的行号

方法2：用971除以2^6=64（Cache的行数），求出商和余数的二进制数

映射的Cache行号=余数=主存地址格式中的行（块）号 tag=0001111，映射到Cache的L11行上

 组相联映射是集合了上面两种的优点，也是现在设备中最常用的方式

我的理解：就是基于直接映射里面的每一行变成每一个组，然后每一个组里面不像直接映射一样只能放一个块，而是可以放n个块，然后在每一个组里面运用全相联映射模式去寻找数据

怎么说，这个组相联的方式更像是保存上一次存入同样组号的数据块，就极大地避免了直接相连命中率低的情况。。

做习题的时候要注意的是，我们已经获取了cache有多少行，但是我们要把

cache的总行数/cache每一组的行数=cache的组数，其他的tag与块内地址与直接映射大同小异

X路组相联就相当于一组X行。 

 例题5.假设主存容量为512K*16位， Cache容量为4096*16位，块长为4个16 位的字，访存地址为字地址。

1）在直接映射下，设计主存的地址格式

2）在全相联方式下，设计主存地址格式

3）在二路组相联映射方式下，设计主存 地址格式

4）若主存容量、Cache容量、块长不变， 在四路组相联方式下，设计主存地址格式

 解：

主存块=4个字=2^2个字(题设，按字编址噢)，块内字地址2位

主存容量=512K个字=(512K*16位)/(4*16位[每个块的容量])= 2^17个块

(害，这时候别耍小聪明，不要把每一个块化为具体KB大小。。)

Cache容量=4096个字=(4096*16)/(4*16)= 2^10行

直接映射下，主存的块号编码=Cache行号编码 =10位，主存各个块标记Tag= 17-10=7位

主存地址格式：

全相联方式：Tag=主存块号编码=17位

 2路组相联：

Cache组数= 2^10/2= 2^9组，主存块号编码 =Cache组数编码=9位，Tag=17-9=8位

 4路组相联： Cache组数= 2^10/4= 2^8组，主存块号编码 =Cache组数编码=8位，Tag=17-8=9位

例二：

设主存容量为16MB，Cache容量为8KB，每字块有8个字，每个字32位， 设计一个4路组相联映射的Cache组织。 访存地址为字地址。

解： 

主存块=8个字=2^3个字，块内字地址3位(块内地址不是多少个字节喔。因为是按字编址)

主存容量=16MB=4M个字（一个字32位/8=4字节(B)）=4M/8(每个块8个字)= 2^19个块

Cache容量=8KB=2K个字（一个字32位/8=4字节(B)）=2K/8= 2^8行

4路组相联下，Cache组数= 2^8/4= 2^6组

主存块号编码=Cache组号编码=6位，主存各个块标记Tag= 19-6=13位 主存地址格式： 

上面的例题要搞清楚是按字节编址还是按字编址 

求cache的行数应该要转成相同的单位与块相同的单位才能求出，主存也一个样，化繁为简 

，按字就按字整除，字节就按字节，位数就按位数整除。。

有些时候多少块（数量级无单位）【针对主存有多少个块，此时要区分块内地址，全相联映射只考虑多少个块】

多少行（数量级无单位）【针对cache中有多少行，直接映射会用到】

多少组（数量级无单位）【针对cache分组后有多少个组，一般是行/（一组多少行），组相联映射】 

 作业：

更新：发现老师的做法和我这篇博客的字节编址出入很大，还是按照老师的想法吧。。。

按字节编址的话，就是把我上面的那个博客里面字节编址的块内地址分出两块

（

组相联映射：如果说是按主存的字节地址格式，出现了一个字块有多少个字，则写出字段时，分出多一块写一个字的多少个字节进行编码地址。。 直接映射：如果说只告诉了一个块多少字节，但是没有说一个块内有多少个字，就按字节编址

） 

 作业2：