CACHE与住存之间的全相联映射,直接映射和组相联映射的区别
cache的出现是基于两种因素
Cache的出现是基于两种因素：首先，是由于CPU的速度和性能提高很快而主存速度较低且价格高，第二就是程序执行的局部性特点。
因此，才将速度比较快而容量有限的SRAM构成Cache，目的在于尽可能发挥CPU的高速度。
很显然，要尽可能发挥CPU的高速度就必须用硬件实现其全部功能。
Cache与主存之间可采取多种地址映射方式，直接映射方式是其中的一种。
在这种映射方式下，主存中的每一页只能复制到某一固定的Cache页中。
由于Cache块(页)的大小为16B，而Cache容量为16KB。
因此，此Cache可分为1024页。
可以看到，Cache的页内地址只需4位即可表示；而Cache的页号需用10位二进制数来表示；在映射时，是将主存地址直接复制，现主存地址为1234E8F8(十六进制)，则最低4位为Cache的页内地址，即1000，中间10位为Cache的页号，即1010001111。
Cache的容量为16KB决定用这14位编码即可表示。
题中所需求的Cache的地址为10100011111000。
Cache中的内容随命中率的降低需要经常替换新的内容。
替换算法有多种，例如，先入后出(FILO)算法、随机替换(RAND)算法、先入先出(FIFO)算法、近期最少使用(LRU)算法等。
这些替换算法各有优缺点，就以命中率而言，近期最少使用(LRU)算法的命中率最高。
浏览器缓存缓存用于存储一些临时的文件。
在浏览网页的过程中，网页会自动存储在用户的硬盘上。
下次再浏览相同的网站的时候，系统会自动从硬盘中调出该网页，既节省了时间也减少了网络的交换。
用户可以自行设定缓存方便其上网的需要。
电脑中还存在高速缓冲存储器和硬盘缓存。
缓存的种类：本地服务器缓存、网页缓存、硬盘缓存、一级高速缓存、二级高速缓存。
cache是一个高速小容量的临时存储器，可以用高速的静态存储器芯片实现，或者集成到CPU芯片内部，存储CPU最经常访问的指令或者操作数据。
简述直接映射,全相联映射,组相联映射的特点
直接映射、全相联映射和组相联映射都是计算机系统中用于解决内存和缓存之间数据传输的三种映射方式。
它们的特点如下：
直接映射（也称为全相关的映射）：
特点：主存中每一个块只能被放置到Cache中唯一的一个指定位置，若这个位置已有内容，产生块冲突，原来的块将无条件被替换出去。
优点：成本低，易实现，地址变换速度快。
缺点：不够灵活，Cache的块冲突概率最高，空间利用率最低。
全相联映射（也称为相关映射）：
特点：让主存中任何一个块均可以装入到Cache中任何一个块的位置上。
优点：方式灵活，Cache的块冲突概率最低、空间利用率最高。
缺点：地址变换速度慢，成本高。
组相联映射：
特点：将Cache分成若干组，主存中的块直接映像装入Cache中对应组内的任何一块位置上（组间采取直接映射，组内采取全相联映射）。
优缺点：介于全相联映射和直接映射的优缺点之间。
综上所述，直接映射、全相联映射和组相联映射各有其特点，在实际应用中根据具体需求选择合适的映射方式。
cache组织方式
cache组织方式Cache组织方式一、什么是Cache？Cache（缓存）是计算机系统中的一种高速存储器，用于临时存放经常访问的数据，以便加快数据的访问速度。
在计算机系统中，Cache通常位于CPU与主存之间，作为CPU与主存之间的缓冲区域，用于暂时存储CPU频繁访问的数据。
二、Cache的作用Cache的主要作用是提高计算机系统的性能，通过减少对主存的访问次数，加快数据的读写速度。
Cache能够存储大量的数据，并通过高速的读写速度，提供快速的数据访问能力。
当CPU需要访问数据时，首先会在Cache中查找，如果找到了需要的数据，则直接返回给CPU，避免了对主存的访问。
如果Cache中没有需要的数据，则需要从主存中加载数据到Cache中，然后再返回给CPU。
三、Cache的组织方式1. 直接映射Cache直接映射Cache是最简单的一种组织方式。
它将主存的地址空间划分为多个Cache块，并将每个Cache块映射到一个特定的主存地址。
当CPU需要访问数据时，首先将数据的地址映射到Cache中对应的块，然后再在该块中查找对应的数据。
直接映射Cache的优点是结构简单，易于实现，但是容易出现冲突，即多个数据映射到同一个Cache块的情况。
2. 全相联Cache全相联Cache是一种较为复杂的组织方式。
它将主存的地址空间划分为多个Cache块，并且允许任意一个主存地址映射到任意一个Cache块。
当CPU需要访问数据时，需要遍历整个Cache，查找对应的数据。
全相联Cache的优点是解决了直接映射Cache中的冲突问题，但是需要进行全局的查找，速度较慢。
3. 组相联Cache组相联Cache是直接映射Cache和全相联Cache的折中方案。
它将Cache划分为多个组，每个组包含多个Cache块。
当CPU需要访问数据时，首先将数据的地址映射到对应的组，然后再在该组中查找对应的数据。
组相联Cache的优点是既减少了冲突，又加快了查找速度，是目前应用最广泛的Cache组织方式。
5.3.3_cache映射
Cache • 将要访问的局部主存数据取到Cache中，应该放到Cache的何处？ • Cache行比主存块少，多个主存块会映射到同一个Cache行中，如何建立Cache地址与主存地址的对应关系？ • 把主存划分成大小相等的主存块(Block) • Cache中存放一个主存块的对应单位称为行(line) 或槽(Slot)或项(Entry)或块(Block) • 主存块和Cache行可按三种方式进行映射：直接、全相联、组相联 5.3.3 Cache 和主存之间的映射方式 把主存的每一块映射到一个固定的Cache 行中。
即每个主存地址对应于高速缓存中唯一的地址，也称模映射映射关系为：Cache 行号 =主存块号 m od Cache 行数 例： 假定Cache 共有16行，主存中的第100块，应该映射到Cache 的哪个位置？ 求解：4 = 100 mod 16由于它们都映射到Cache 第0行，即使Cache 中其它行空闲，也有一个主存块不能写入Cache ，这样就会产生频繁的 C ache 替换，称之为Cache 抖动 如果将主存第0(00000)块与第16(10000)块同时复制到这个Cache 中，会有什么问题？ 直接映射 特点 • 易实现，命中时间短 • 淘汰 / 替换策略简单 • 不灵活，Cache存储空间得不到充分利用，命中率低 把主存的每一块映射到一个固定的Cache 行中。
即每个主存地址对应于高速缓存中唯一的地址，也称模映射映射关系为：Cache 行号 =主存块号 m od Cache 行数 例： 假定Cache 共有16行，主存中的第100块，应该映射到Cache 的哪个位置？ 求解：4 = 100 mod 16之间按块传送单位，主存容之间按块传送单位，主存容0001 0 0000 1100B 0001块(第17块)的第0220CH 00000015.3.3 Cache和主存之间的映射方式 —— 直接映射块大小设置为1个字节如何？ 利用时间局部性：某字节不久又可能被使用没有空间局部性：虽然某字节的邻近字节不久可能被访问，但没有被调到Cache(因为每次只调入一个字节！)冲突概率增大，块小使映射到同一个Cache行的主存块几率增加 增大块的大小，从而利用空间局部性！ 最高的 (32 - N ) 地址位： C ache标记域 中间(N-M)地址位：Cache索引 最低的M地址位：块内偏移 0 5 431 Cache Tag块内偏移10 92N byte c ache, 此例中N=10 例：一个直接映射Cache：容量为1 K B ；块大小为32Byte Block S ize=2M , 此例中M=5 Cache IndexB B 17块 5.3.3 Cache 和主存之间的映射方式 如果数据在主存和Cache 之间块传送单位为512B Cache 大小：8KB=213B=16槽× 512B/ 槽 主存大小：1MB=220B=211块 × 512B/ 块 • Cache 标记(tag)指出对应槽取自哪个主存块 • 主存tag 指出对应地址位于哪个主存块 主存块可装到Cache 任一槽Slot 中，称为全相联映射 例：CPU如何访问0220CH单元？ —— 全相联全相联映射 17块 第17块的第12个单元！可映射到任意cache槽 000 0001 0001 0 0000 1100B块大小32B 。
存储题库
一、1、机群：机群系统定义为一组完整的计算机互连并作为统一的计算资源一起工作，对外则提供一台机器的逻辑接口。
2、直接映像：直接映像是把主存按Cache的大小分为相等的区，每区又分为大小不同的相等的块，主存中不同区的各块一一对应Cache的块。
3、存储系统：存储系统是指由一组部件为单一或多个计算机提供存储的体系。
4、虚拟存储器：虚拟存储器通常是指将主存作为辅存的缓冲区，通过硬件和操作系统等机制，实现两者数据交互。
5、CIFS：CIFS是一种主要运用于Windows系统的网络文件系统，提供网络内计算机共享文件、打印机、串行端口和通信等资源。
二、1、常见的信息存储单元有"位"、"字节"、"双字"、"半字"。
2、存储器的性能指标：①存储容量②存储密度③存取时间和存取周期④可靠性⑤误码率⑥功耗⑦性价比3、半导体存储器的主要指标有：容量指标读/写速度读写模式4、主机系统通常包括的软件部分有：应用程序操作系统文件系统设备驱动5、NAS的软件构成：操作系统、文件协议、存储管理软件6、光纤的结构包括纤芯、包层和外皮。
7、激光的特点：（1）：方向性好（2）：单色性好（3）：能量集中（4）：相干性好8、简述对磁记录材料的磁特性要求。
答：对磁记录头材料的磁特性要求主要是：(1)高的磁导率μ(2)高的饱和磁化强度M s (3)低的矫顽力H c(4)高的磁稳定性。
对磁记录介质材料的磁特性要求主要是：(1)适当高的矫顽力H c(2)高的饱和磁化强度M s(3)高的剩磁比(4)高的稳定性。
三、1、简述快闪存储器的特点。
答：集成度高，容量大，成本低，使用方便，速度快。
2、简述磁记录技术的原理。
答：先将需要记录和存储的信息转变为相应的电信号输送到磁头电路中，使写入磁头中产生与输入电信号相对应的磁场，用该磁场作用于磁记录介质，使其从原来的退磁状态转变为磁化状态，需要输出信息时，使用读出磁头作用于磁记录介质，使磁记录介质产生的磁场作用于读出磁头，获取之前写入的信息。
简述直接映射,全相联映射,组相联映射的优缺点
简述直接映射,全相联映射,组相联映射的优缺点直接映射、全相联映射和组相联映射是计算机存储器中用于映射主存地址到缓存地址的三种主要技术。
这三种映射技术各有优缺点，下面将对它们进行简要说明。
1. 直接映射：直接映射是最简单的映射技术，将主存中的每个存储块映射到缓存中的固定位置。
例如，一个具有16个存储块的主存，可以被映射到一个具有8个存储块的缓存中。
在直接映射中，主存地址的一部分用于确定缓存中的位置，而另一部分用于确定在这个位置上存储的数据。
优点：- 简单易理解和实现。
- 可以利用处理器的局部性原理，减少缓存失效的概率。
缺点：- 缓存利用率低，因为可能会出现多个存储块映射到缓存中的同一个位置，导致缓存冲突。
- 缓存冲突可能会导致性能下降，因为处理器可能需要等待缓存读写操作完成。
2. 全相联映射：全相联映射将主存中的每个存储块映射到缓存中的任意位置。
在全相联映射中，主存地址的一部分用于确定缓存中的位置，而另一部分用于确定在这个位置上存储的数据。
优点：- 不存在缓存冲突，因为每个存储块都可以映射到缓存的任意位置。
- 缓存利用率高，因为存储块可以更灵活地映射到缓存中。
缺点：- 相对复杂，需要额外的硬件支持来实现全相联映射。
- 性能开销较大。
3. 组相联映射：组相联映射结合了直接映射和全相联映射的优点，将主存中的存储块划分为多个组，然后在每个组内进行全相联映射。
优点：- 兼具直接映射和全相联映射的优点。
- 较高的缓存利用率，减少缓存失效的概率。
缺点：- 较复杂，并需要更多的硬件支持。
- 某些特定的存储块可能会映射到同一个组中，导致缓存冲突。
总结：- 直接映射技术简单易实现，但缓存利用率较低且容易发生缓存冲突。
- 全相联映射技术不存在缓存冲突，但实现较为复杂，性能开销较大。
- 组相联映射技术结合了直接映射和全相联映射的优点，具有较高的缓存利用率和较低的冲突率，但也增加了一定的硬件开销。
参考内容：- 《计算机系统设计与优化》- 李春阳，机械工业出版社，2018年- 《计算机组成与设计：硬件/软件接口》- David A. Patterson、John L. Hennessy，机械工业出版社，2017年- 《计算机体系结构》- 现代教材编写组，清华大学出版社，2014年。
以下习题来自《计算机系统结构》第七章 存储体系。
以下习题来自《计算机系统结构》第七章存储体系。
7．1解释下列术语直接映像：每个主存地址映像到Cache中的一个指定地质的方式称为直接映像。
全相联映像：任何主存地址可映像到任何Cache地址的方式称为全相联映像。
组相联映像：组相联映像指的是将存储空间的页面分成若干组，各组之间是直接映像，而组内各块之间是全相联映像。
全写法：全写法也称直达法，即写操作将数据同时写入Cache和缓存。
写回法：写Cache时不写主存，仅当被写Cache数据块要被替换出去时才写回主存。
虚拟存储器：虚拟存储器是主存的扩展，当主存的容量不能满足要求时，数据可存放在外存中，在程序中仍然按地址访问外存空间。
大小取决于计算机的访存能力。
段式管理：把主存按段分配的存储管理方式称为段式管理。
页式管理：把虚拟存储空间和实际存储空间等分成固定大小的页，各虚拟页可装入主存中不同的实际页面位置。
段页式管理：段页式管理式段式管理和页式管理的结合，他将存储空间按逻辑模块分成段，每段又分成若干个页，访存通过一个段表和若干个页表进行。
段的长度必须是页的长度的整数倍，段的起点必须是某一页的起点。
快表：为了提高页表中常用项的访问速度，采用快速硬件构成的比全表小的多的部分表格。
慢表：存放在主存中的整个页表。
高速缓存：高速缓冲存储器是位于CPU和主存之间的高层存储子系统。
时间局部性：如果一个存储项被访问，则可能该项会很快再次被访问。
空间局部性：如果一个存储项被访问，则该项及其邻近的相也可能很快被访问。
段表：在对虚拟内存进行管理时，系统中用于指明各段在主存中的位置的表，表中包括段名或段号、段起点、装入位和段长等。
页表：在对虚拟内存进行管理时，系统中用于指明各页在主存中的位置的表，表中包括页号、每页在主存中的起始位置、表示该页是否已装入主存的装入位等。
块表：存储系统中的一个用于解决块和页的定位、标志、和寻址问题的表。
7.2 有人认为,随着存储器芯片集成度的提高，主存的容量将越来越大，虚拟存贮器将被淘汰，未来的计算机中将不采用虚拟存储器。
CACHE与主存之间的全相联映射,直接映射和组相联映射的区别
CACHE与主存之间的全相联映射，直接映射和组相联映射的区别高速缓冲存储器的功能、结构与工作原理高速缓冲存储器是存在于主存与CP U之间的一级存储器，由静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多，接近于CPU的速度。
Cache的功能是用来存放那些近期需要运行的指令与数据。
目的是提高C P U对存储器的访问速度。
为此需要解决2个技术问题：一是主存地址与缓存地址的映象及转换；二是按一定原则对Cac he的内容进行替换。
Cache的结构和工作原理如图2.3.1所示。
主要由三大部分组成：Cache存储体：存放由主存调入的指令与数据块。
地址转换部件：建立目录表以实现主存地址到缓存地址的转换。
替换部件：在缓存已满时按一定策略进行数据块替换，并修改地址转换部件。
2.3.2 地址映象与转换地址映象是指某一数据在内存中的地址与在缓冲中的地址，两者之间的对应关系。
下面介绍三种地址映象的方式。
1.全相联方式地址映象规则：主存的任意一块可以映象到Cach e中的任意一块(1) 主存与缓存分成相同大小的数据块。
(2) 主存的某一数据块可以装入缓存的任意一块空间中。
全相联方式的对应关系如图2.3.2所示。
如果Cach e的块数为C b，主存的块数为M b，则映象关系共有Cb×Mb种。
图2.3.3示出了目录表的格式及地址变换规则。
目录表存放在相关（联）存储器中，其中包括三部分：数据块在主存的块地址、存入缓存后的块地址、及有效位（也称装入位）。
由于是全相联方式，因此，目录表的容量应当与缓存的块数相同。
举例：某机主存容量为1M，Cache的容量为32KB，每块的大小为16个字（或字节）。
划出主、缓存的地址格式、目录表格式及其容量。
计算机系统结构(高教版)张晨曦 习题答案 第五章
5.1 解释下列术语多级存储层次：由若干个采用不同实现技术的存储器构成的存储器系统，各存储器处在离CPU不同距离的层次上。
使得靠近CPU的存储器速度较快，容量较小。
整个存储系统的速度接近与离CPU最近的存储器的速度，而容量和每位价格接近于最低层次的容量和价格。
全相联映像：指主存中的任一块可以被放置到Cache中的任意一个位置。
直接映像：指主存中的每一块只能被放置到Cache中唯一的一个位置。
组相联映像：指主存中的每一块可以被放置到Cache中固定的一个组中的任意位置。
替换算法：由于主存中的块比Cache中的块多，所以当要从主存中调入一个块到Cache中时，会出现该块所映像的Cache块位置已经被占用的情况。
替换算法即解决如何选择替换块的问题。
LRU：最近最少使用法。
选择近期最少被访问的块作为被替换的块。
写直达法：在执行“写”操作时，不仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器中相应的块。
写回法：只把信息写入Cache中相应的块，该块只有在被替换时才被写回主存。
按写分配法：在写失效时，先把所写单元所在的块从主存调入Cache，然后再进行写入。
不按写分配法：写失效时，直接写入下一级存储器而不将相应的块调入Cache。
命中时间：CPU所要访问的块在Cache中，确认并取走所花费的时间开销。
失效率：CPU一次访存不命中的概率。
失效开销：CPU一次访存不命中，而额外增加的访存开销。
强制性失效：当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需从下一级存储器中调入Cache。
容量失效：如果程序执行执行时所需的块不能全部调入Cache中，则当某些快被替换后，若又重新被访问，就会发生失效。
冲突失效：在组相联或直接映像Cache中，若不多的块映像到同一组中，则会出现该组中某个块被别的块替换，然后又重新被访问的情况。
2：1 Cache经验规则：大小为N的直接映像Cache的失效率约等于大小为N/2的2路组相联Cache的失效率。
与主存之间的地址映射方式
映射机构将主存地址分为两个字 段,即主存块标记和块内字地址。 主存块标记就是主存块号,块内 字地址就是128个字的编码 (0~127)。当主存字块装人 Cache 时,将主存块号存人Cache 字块的标记部分,把整块数据存 入相应字块。当CPU访问主存 时,Cache 收到要访问的主存地 址,并将主存地址的块号 与 Cache 中所有字块的标记进 行比较,如果有相符的,
说明 Cache 命中,则按主存地址 的块内字地址读取具体的字并送 至 CPU。否则从主存中读取该字 并送至 CPU,同时将该块调入 Cache 中
Cache与主存之间的地址映射方式
图5-4所示的主存-Cache系统 中,Cache 有8个字块,编号为0~7, 每个字块前有9位标记,用以区分 不同主存块;主存有512块,编号 为0~511。设块的大小为128个字 (此处的字是指系统编址的最小 单位,具体的字节数因系统而异)。 主存的512个字块中的任意一块 可以映射到Cache 的8个字块中
说明 Cache 命中,则按主存地址 的块内字地址读取具体的字并送 至 CPU。否则从主存中读取该字 并送至 CPU,同时将该块调入 Cache 中
Cache与主存之间的地址映射方式
图5-4所示的主存-Cache系统 中,Cache 有8个字块,编号为0~7, 每个字块前有9位标记,用以区分 不同主存块;主存有512块,编号 为0~511。设块的大小为128个字 (此处的字是指系统编址的最小 单位,具体的字节数因系统而异)。 主存的512个字块中的任意一块 可以映射到Cache 的8个字块中
说明 Cache 命中,则按主存地址 的块内字地址读取具体的字并送 至 CPU。否则从主存中读取该字 并送至 CPU,同时将该块调入 Cache 中
山东大学计算机组成原理第四章作业题及参考答案
第四章部分作业题参考答案4.3 存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？答：1）存储器的层次结构主要体现在Cache—主存和主存—辅存这两个存储层次上。
2）Cache—主存层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题，在存储系统中主要对CPU访存起加速作用。
从CPU的角度看，该层次的速度接近于Cache，而容量和每位价格却接近于主存。
这就解决了存储器的高速度和低成本之间的矛盾；主存—辅存层次主要解决存储系统的容量问题，在存储系统中主要起扩容作用。
从程序员的角度看，其所使用的存储器的容量和每位价格接近于辅存，而速度接近于主存。
该层次解决了大容量和低成本之间的矛盾。
3）主存与Cache之间的数据调度是由硬件自动完成的，对程序员是透明的。
而主存—辅存之间的数据调动，是由硬件和操作系统共同完成的。
换言之，即采用虚拟存储技术实现。
4.5 什么是存储器的带宽？若存储器的数据总线宽度为32位，存取周期为200ns，则存储器的带宽是多少？答：1）存储器的带宽指单位时间内存储器存取的信息量。
2）存储器带宽= 1/200ns ×32位= 160M位/秒= 20MB/S （此处1M=106 ）4.7 题目略。
解：地址线和数据线的总和= 14 + 32 = 46根各需128、32、32、32、16和8片。
4.8试比较静态RAM和动态RAM。
答案要点：1）静态RAM的特点：依靠双稳态触发器保存信息，不断电信息不丢失；功耗较大，集成度较低，速度快，每位价格高，适合于作Cache或存取速度要求较高的小容量主存。
2）动态RAM的特点：依靠电容存储电荷来保存信息，需刷新电路进行动态刷新；功耗较小，集成度高，每位价格较低，适合于作大容量主存。
4.14 题目略解：1）256KB ；2）8块模板；3）16片；4）128片；5）CPU 通过最高3位地址译码选模板，次高3位地址译码选择模板内芯片。
第十讲(cache存储器)要点课件
当缓存满了，需要替换数据块时，LFU算法会选择最不经常使用的数据块进行替换。这种算法能够提 高缓存命中率，但实现起来较为复杂，需要记录每个数据块的访问频率。
04
Cache存储器的性能分析
Cache存储器的命中率
01
02
03
命中率
衡量Cache存储器效率的 重要指标，指程序访问 Cache成功命中的次数与 总访问次数的比值。
影响因素
Cache容量、块大小、程 序特性、替换策略等。
优化策略
根据程序特性调整Cache 容量和块大小，采用合适 的替换策略，以提高命中 率。
Cache存储器的效率
效率
指Cache存储器完成一次 访问所需的时间与直接访 问存储器所需时间的比值 。
影响因素
Cache访问速度、块大小 、Cache层次结构等。
第十讲(cache存储器)要点 课件
contents
目录
• Cache存储器概述 • Cache存储器与主存的映射方式 • Cache存储器的替换算法 • Cache存储器的性能分析 • Cache存储器的优化策略
01
Cache存储器概述
Cache存储器的定义
01
Cache存储器是一种高速缓冲存 储器，用于暂时存储CPU经常访 问的指令和数据，以便快速访问 和提高系统性能。
组相联映射
总结词
一种折中的映射方式，将主存中的块分组，每组内的 块映射到Cache的固定块位置。
详细描述
组相联映射方式中，将主存中的块分成若干组，每组 内的块具有固定的对应关系。Cache被划分为与主存 组数相同的组，每个组中的块可以存储主存中对应组 内的任意一块数据。当访问主存时，首先确定访问的 块属于哪个组，然后在Cache中查找该组对应的块， 如果有则将数据读入Cache块中，否则需要将数据从 主存中读取并替换掉Cache中的某块数据。这种方式 的优点是查找时间较短且具有一定的灵活性，缺点是 仍然存在Cache浪费的问题。
地址映像
区号根据 Cache 容量划分 区号长度＝主存地址位数－Cache 地址位数 主存的块号和 Cache 块号的长度相同，位数 K 取决于 Cache 中能容纳的个数 J K＝LOG2J 主存的块内地址和 Cache 的块内地址长度相同，位数 M 取决于块的容量 Q M＝LOG2Q
例题： 容量为 64 块的 Cache 采用组相联方式映像，字块大小为 128 字节，每 4 块为一组，若主容 量为 4096 块，且以字编址，那么主存地址为（19）位，主存区号为（6）位。
方法一： 分区数＝主存容量／Cache 容量＝4096／64＝64； 区内分组数=64/4=16; 组内分块数＝4 块／组； 块内地址＝128 字节； 所以根据公式： 主存地址位数＝6+4+2+7＝19； 主存区号＝6 位。
方法二： 主存地址的位数 A 由主存容量 N 决定 A＝log2N=区号位数＋块号位数＋块内地址位数 所以： A＝LOG2N＝LOG2（4096*128）＝LOG2（2^12*2^7）＝LOG2（2^19）＝19； Cache 地址的位数 B 由 Cache 容量 H 决定 B128）＝13. 区号的计算方法同上！
Cache 与主存地址映像知识点及例题分析
知识点：Cache 与主存地址映 Cache 和主存都被分成若干个大小相等的块，每块由若干个字节组成，主存和 Cache 的数据 交换是以块为单位，需要考虑二者地址的逻辑关系。 地址映像：把主存地址空间映像到 Cache 地址空间，即按某种规则把主存的块复制到 Cache 中。 一、全相连映像 主存中任何一个块均可以映像装入到 Cache 中的任何一个块的位置上。主存地址分为块号和 块内地址两部分，Cache 地址也分为块号和块内地址。Cache 的块内地址部分直接取自主存 地址的块内地址段。主存块号和 Cache 块号不相同，Cache 块号根据主存块号从块表中查找。 Cache 保存的各数据块互不相关，Cache 必须对每个块和块自身的地址加以存储。当请求数 据时，Cache 控制器要把请求地址同所有的地址加以比较，进行确认。 特点：灵活，块冲突率低，只有在 Cache 中的块全部装满后才会出现冲突，Cache 利用率高。 但地址变换机构复杂，地址变换速度慢，成本高。 公式： 主存地址位数＝块号+块内地址； Cache 地址位数＝块号+块内地址。 二、直接映像 把主存分成若干区，每区与 Cache 大小相同。区内分块，主存每个区中块的大小和 Cache 中块的大小相等，主存中每个区包含的块的个数与 Cache 中块的个数相等。任意一个主存块 只能映像到 Cache 中唯一指定的块中，即相同块号的位置。主存地址分为三部分：区号、块 号和块内地址，Cache 地址分为：块号和块内地址。直接映像方式下，数据块只能映像到 Cache 中唯一指定的位置，故不存在替换算法的问题。它不同于全相连 Cache，地址仅需比 较一次。 特点：地址变换简单、速度快，可直接由主存地址提取出 Cache 地址。但不灵活，块冲突率 较高，Cache 空间得不到充分利用。 公式： 主存地址位数＝区号+区内分块号+块内地址； Cache 地址位数＝块号+块内地址。 三、组相连映像 组相连映像是前两种方式的折衷。主存按 Cache 容量分区，每个区分为若干组，每组包含若 干块。Cache 也进行同样的分组和分块。主存中一个组内的块数与 Cache 中一个组内的块数 相等。组间采用直接方式，组内采用全相连方式。组的容量＝1 时，即直接映像，组的容量 ＝整个 Cache 的容量时，即全相连映像。Cache 的存在对于程序员透明，Cache 的地址变换 和数据块的替换算法都采用硬件实现。 公式： 主存地址位数＝区号+组号+主存块号+块内地址； Cache 地址位数＝组号+组内块号+块内地址。 四、主存地址和 Cache 地址的相关计算 主存地址的位数 A 由主存容量 N 决定（N 位容量） A＝log2N=区号位数＋块号位数＋块内地址位数 Cache 地址的位数 B 由 Cache 容量 H 决定 B＝LOG2H＝块号位数＋块内地址位数
CACHE与主存之间的全相联映射,直接映射和组相联映射的区别
缺点：写操作速度得不到改善，与写主存的速度相同。
2.写回法（WB法-Write back）
方法：在CPU执行写操作时，只写入Cache，不写入主存。
优点：速度较高。
缺点：可靠性较差，控制操作比较复杂。
2.3.5 Cache性能分析
1.Cache系统的加速比
存储系统采用Cache技术的主要目的是提高存储器的访问速度，加速比是其重要的性能参数。Cache存储系统的加速比SP（Speedup）为：
其容量为Cache中替换时参与选择的块数。如在组相联方式中，则是同组内的块数。堆栈由栈顶到栈底依次记录主存数据存入缓存的块号，
现以一组内4块为例说明其工作情况，如表2.3.2所示，表中1～4为缓存中的一组的4个块号。
表2.3.2 寄存器栈法实现
缓存操作初始状态调入2命中块4替换块1
寄存器03241
寄存器14324
3.最近最少使用法（LRU法）
LRU法是依据各块使用的情况， 总是选择那个最近最少使用的块被替换。这种方法比较好地反映了程序局部性规律。
实现LRU策略的方法有多种。 下面简单介绍计数器法、寄存器栈法及硬件逻辑比较对法的设计思路。
计数器方法：缓存的每一块都设置一个计数器，计数器的操作规则是：
(1) 被调入或者被替换的块， 其计数器清“0”，而其它的计数器则加“1”。
相关存储器中每个单元包含有：
主存地址中的区号E与组内块号B，两者结合在一起，其对应的字段是缓存块地址b。相关存储器的容量，应与缓存的块数相同。当进行数据访问时，先根据组号，在目录表中找到该组所包含的各块的目录，然后将被访数据的主存区号与组内块号，与本组内各块的目录同时进行比较。如果比较相等，而且有效位为“1”则命中。
主存与cache的地址映射关系
主存与Cache的地址映射CPU对存储器的访问，通常是一次读写一个字单元。
当CPU访Cache不命中时，需将存储在主存中的字单元连同其后若干个字一同调入Cache中，之所以这样做，是为了使其后的访存能在Cache中命中。
因此，主存和Cache之间一次交换的数据单位应该是一个数据块。
数据块的大小是固定的，由若干个字组成，且主存和Cache的数据块大小是相同的。
从Cache-主存层次实现的目标看，一方面既要使CPU的访存速度接近于访Cache的速度，另一方面为用户程序提供的运行空间应保持为主存容量大小的存储空间。
在采用Cache-主存层次的系统中，Cache对用户程序而言是透明的，也就是说，用户程序可以不需要知道Cache的存在。
因此，CPU每次访存时，依然和未使用Cache的情况一样，给出的是一个主存地址。
但在Cache-主存层次中，CPU首先访问的是Cache，并不是主存。
为此，需要一种机制将CPU的访主存地址转换成访Cache地址。
而主存地址与Cache地址之间的转换是与主存块与Cache块之间的映射关系紧密联系的，也就是说，当CPU访Cache未命中时，需要将欲访问的字所在主存中的块调入Cache中，按什么样的策略调入，直接影响到主存地址与Cache地址的对应关系，这也就是本小节要解决的主存与Cache的地址映射问题。
主要有三种地址映射方式，分别为全相联映射、直接相联映射和组相联映射。
1. 全相联映射全相联映射是指主存中任一块都可以映射到Cache中任一块的方式，也就是说，当主存中的一块需调入Cache时，可根据当时Cache的块占用或分配情况，选择一个块给主存块存储，所选的Cache块可以是Cache中的任意一块。
例如，设Cache共有2C块，主存共有2M块，当主存的某一块j需调进Cache中时，它可以存入Cache的块0、块1、…、块i、… 或块2C -1的任意一块上。
如图4-28所示。
Cache主存地址映射重点看全相...
第一章1.计算机组成和计算机体系结构1.1计算机体系结构1）概念：指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性。
2）计算机系统的属性通常是指用机器语言编程的程序员所看到的传统机器的属性，包括指令集，数据类型，存储器寻址技术，I/O机理等。
（大都为抽象的属性）1.2 计算机组成1）概念：实现计算机体系结构所体现的属性。
2.计算机层次结构3.冯诺依曼计算的特点1）计算机由五大部件组成2）指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访3) 指令和数据用二进制表示4) 指令由操作码和地址码组成5) 存储程序6) 机器以运算器为中心4.计算机硬件框图1）冯. 诺依曼计算机结构框图2）现代以存储器为中心的计算机结构框图3）5.计算机硬件的主要技术指标1）机器字长：CPU一次能够处理数据的位数，与CPU 中的寄存器位数有关。
2）存储容量：主存容量与辅存容量主存容量是指主存中存放二进制代码的总位数。
即存储容量= 存储单元个数* 存储字长MAR位数代表存储单元个数，MDR的位数代表存储字长。
例:MAR = 10，则存储单元个数=210，MDR=8，即有8位。
字节数：213 = 1KB （1K = 210，1B = 23b）辅存容量：通常用字节数来表示，如80GB（1G=1024M=210 * 220=230）3）运算速度：单位时间内执行指令的平均条数计量单位：MIPS（百万条指令每秒）CPI（执行一条指令的时钟周期（机器主频的倒数））与FLOPS（浮点运算次数每秒）也可来衡量运算次数。
第二章1.计算机产生和发展过程1）计算机的3代：电子管——晶体管——集成电路2）硬件技术对计算机更新换代的影响2.什么是摩尔定律微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番第三章1总线性能指标①总线宽度：指数据总线的宽度（bit为单位）②总线带宽：总线的数据传输速率（MBps为单位）总线带宽= 总线宽度* 总线频率例：总线工作频率为33MHz,总线宽度为32位，则带宽=33*（32/8）=132MBps.2.ISA，EISA、PCI，RS-232C与USB总线特点ISA：又称A T总线，使用独立于CPU的总线时钟，不支持多台主设备系统，而且ISA上的所有数据传送需通过CPU或DMA接口来管理，耗CPU时间.最大传输速率（带宽）：16MBps 总线时钟频率：8MHz 数据线：16 地址线：24 EISA：与ISA完全兼容，从CPU中分离总线控制权，支持多个总线主控器与突发方式的传输。
Cache的原理与地址映像机制
二、பைடு நூலகம்址映像机制
4. 查找方法
基于目录表的查找
只需查找候选位置 所对应的目录表项
二、地址映像机制
4. 查找方法
并行查找 顺序查找
二、地址映像机制
4. 查找方法
顺序查找
主候选位置 (MRU块)
二、地址映像机制
4. 查找方法
并行查找
硬件： 相联存储器 单体多字存储器
二、地址映像机制
4. 查找方法
常用的地址映像方式 直接映像方式
全相联映像方式
组相联映像方式
二、地址映像机制
1. 直接相联
t位 Cache存储体 0 标记 * 1 标记
比较器（t位） 主存储体 字块0 字块1
字块 0 字块 1
…
…
字块2c－1
2c－1
标记 字块
2c－1
字块2c
字块2c +1 字块2c+1－1
=
有效位=1？ 是 命中 否
命中率 与 Cache 的 容量 与 块长 有关 H
C
命中率
CPU 欲访问的信息在 Cache 中的 比率
命中率 与 Cache 的 容量 与 块长 有关
H 1 容量大
容量小 BC
Cache –主存系统的效率
效率 e 与 命中率 有关
访问 Cache 的时间 e= × 100% 平均访问时间
设 Cache 命中率 为 h，访问 Cache 的时间为 tc ， 访问 主存 的时间为 tm
标记 标记 字块0 字块1 …
主存储器
字块0
字块1
标记
字块2c－1 字块2c－1 …
…
主存地址
主存字块标记 字块内地址
Cache和主存之间的映像
3.7.3 Cache和主存之间的映像方式为了把信息放到Cache中，必须应用某种函数把主存地址映像到Cache中定位，称为地址映像（映射）。
而将主存地址变换成Cache地址，称做地址变换，它们之间是密切相关的。
常用的地址映像方式有三种，分别是全相联映像、直接映像和组相联映像。
1．全相联映像全相联映像是指将内存和Cache按照固定的相同的大小进行分块。
内存的块和Cache的块可以任意对应，即内存的任何一块都可以映像到Cache的任何一块。
在Cache的存储空间被占满的情况下，也允许确实已被占满的Cache存储器中替换出任何一个旧块，具体如图3-14所示。
2．直接映像直接映像先将Cache分成若干块，每个块的大小相同，并对每个块进行编号。
同时根据Cache容量大小将内存分成若干区（页），每个区的容量都跟Cache的容量相同，然后对内存进行分块，每块的大小跟Cache块的大小相同，同样对区内的块进行编号。
映像时，内存的某个区的块只能保存在与其块号相同的Cache块中。
如图3-15所示，内存各区中的第0块只能映像到Cache的第0块，而不能映像到其他块。
3．组相联映像组相联映像实际上是直接映像和全相联映像的折中方案。
组相联映像方式先将Cache分成大小相同的若干区（组），对每个区按照直接映像的方式进行分块，并且编号，因此，Cache中有多个编号相同的块。
对内存按照Cache区的大小进行分页，再对每页按照Cache块的大小进行分块，每个内存块可以对应不同Cache区中的相同块号的块。
如图3-16中内存第0页的第0块，可以对应Cache的第0区的第0块，也可以对应第j区的第0块。
在三种方式中，全相联映像方式比较灵活，Cache的块冲突概率最低、空间利用率最高，但是地址变换速度慢，而且成本高，实现起来比较困难；直接映像方式是最简单的地址映像方式，成本低，易实现，地址变换速度快，而且不涉及其他两种映像方式中的替换算法问题。
全相连映射,组相连映射,直接映射例如解释
全相连映射、组相连映射和直接映射是计算机科学中常见的术语，它们在计算机存储器和缓存系统中扮演着重要的角色。
通过深入探讨这些映射方式的特点和应用，我们可以更好地理解计算机存储器和缓存系统的工作原理和优化方法。
1. 全相连映射全相连映射是一种常见的存储器映射方式，它的特点是任何给定的存储器块都可以映射到存储器缓存的任何一个位置上。
任何一个存储器块都可以放置在缓存中的任意一个位置，只要这个位置没有被其他块占用。
在全相连映射中，当需要访问存储器块时，系统会先计算存储器块的位置区域在缓存中的映射位置，然后检查这个位置是否已经被其他块占用。
如果该位置已经被其他块占用，就需要进行替换操作。
全相连映射的优点是实现简单、应用广泛，但缺点是替换算法相对复杂，性能可能不如其他映射方式。
2. 组相连映射组相连映射是全相连映射的一种改进方式，它将缓存划分为多个组，每个组包含多个缓存行。
存储器块的映射位置由该块的位置区域的一部分决定，这样可以将存储器块映射到特定的组中。
在组内部，采用全相连映射的方式进行存储器块的替换操作。
组相连映射的优点是减少了替换操作的复杂性，提高了替换算法的效率；缺点是需要对存储器位置区域进行分组，增加了硬件的复杂性。
但是，相比于全相连映射，组相连映射在实际应用中更为有效。
3. 直接映射直接映射是另一种常见的存储器映射方式，它的特点是将存储器块映射到缓存中的特定位置。
这意味着每个存储器块只能映射到缓存中的一个固定位置，当需要替换时，只能替换该位置上的存储器块。
直接映射的优点是实现简单、硬件成本低，但缺点是可能会出现替换频繁的情况，导致性能下降。
在实际应用中，直接映射往往作为全相连映射和组相连映射的一种辅助方式来使用。
通过对全相连映射、组相连映射和直接映射的深入探讨，我们可以看到它们在计算机存储器和缓存系统中的重要性和应用价值。
在实际应用中，不同的映射方式可以根据具体的需求来选择，以达到最佳的性能和效率。
主存和Cache的几种映射方式
主存和Cache的⼏种映射⽅式在⼀切开始之前,⾸先最重要的是需要去明⽩和掌握内存的块的定义：内存被分为若⼲块，这些块：1.⼤⼩相等，2.每块由若⼲字组成，3.块的长度成为块长,块的长度是指由⼏个字组成就是多长，⽐如⼀个块由x个字组成，那么块长为x.4.每个块由连续的字组成。
在Cache中这种块被某些替换原则替换进⼊Cache之后，称为Cache的⾏（有些书上也称为块，这⾥就⽤⾏表⽰，以免混淆）。
有以下⼏个特点：1.块长（⼀般是取⼀个存取周期内从主存调出的信息长度，和交互存取有关系）与⾏长相等，这点和物理页和逻辑页的页内地址的长度是⼀样的原理类似。
2.Cache中⾏的位数=⾏号+⾏内地址内存中块的位数=块号+块内地址。
3.块内地址的位数由块的长度决定（设块的长度为x,块内地址的位数其实就是⽤⼏位能表⽰x的问题），块号的位数由块的数⽬决定（⽐如块的数⽬是x,块号其实就是⽤⼏位⼆进制数能表⽰x个数的问题），⾏号的位数由⾏数决定。
块⾥的内容就是⾏的内容，⾏内地址和块内地址相同。
、标记位是什么？先记住⼀点，标记位和cache的地址没有⼀点关系。
每个⾏对应⼀个标记位。
后⾯会进⾏说明CPU与内存以及Cache之间的交互⽅式好了，明⽩了块和⾏的定义之后，我们来看看CPU与内存和Cache之间的交互：1.CPU同时（也有可能不是同时，这时事先访问cache cahce⾥⾯没有再对主存进⾏访问，如果缺失的话访存时间会长⼀点）向Cache和内存发出读请求。
把地址同时送给Cache和内存。
2.Cache控制逻辑（由硬件实现）判断此内存地址是否在Cache中，在则⽴马将此内存的字送给CPU,与此同时，终⽌访问内存。
3.若不在Cache中，⽤主存读取周期从主存中将字取出送往CPU，与此同时，把含有这个字的整个数据块通过Cache与主存的直接通路送到Cache 中。
（由这个交互过程我们可以看到，主存和Cache与CPU交互的时候传送的是字，但是Cache和主存交互传送的是块）了解了过程之后我们来看看映射关系是什么，映射关系是CPU在访存时，将主存地址变换成Cache地址的过程。