标签：Cache 映射 cache 主存 访问 局部性 CPU
计算机存储层级结构
上图是计算机的存储的层次结构图，自上而下，运行速度越来越慢，存储容量越来越大
其实CPU在运行时，所需要的操作数大多数是来自寄存器的，速度是很快的，而离CPU越远的，运算速度越慢
就我个人的理解，cache就是我们CPU内部的SRAM，主存是DRAM，也就是我们经常听说的内存条，外存储就是硬盘之类的
我们应该了解，计算机在运行时，操作指令多存放在主存（内存条）中，再结合上图可以发现，主存并不是离寄存器最近的存储器件，那么为了提高计算机的速度，应当将运行指令先从主存中拷贝到cache中，对DRAM和SRAM有过了解的小伙伴应该知道，SRAM运行速度快，但成本高；DRAM运行速度相对慢，但是价格相对便宜，因此cache的容量必定不会与主存的容量大小相同
那么如何保证从主存拷贝到cache中的指令和数据正是我们所需要的呢？
这就涉及到了程序访问的局部性
程序访问的局部性
分析结果表明：
在较短时间间隔内，程序产生的地址/所访问数据往往几种在存储器的一个很小范围内
程序访问局部性可以分为：时间局部性和空间局部性
- 时间局部性：刚被访问过的存储单元很可能不久后又被访问
- 空间局部性：刚被访问过的存储单元临近的单元很可能不就后被访问
这里再来介绍个概念
CPU和cache之间是以字进行指令/数据的传输
主存和cache之间是以块进行指令/数据的传输，每个块中又包含多个字（单元）
当CPU要从主存中读取指令/数据的时候，会先查看cache中有没有，如果有直接调用cache中的指令/数据，如果没有则先从主存中拷贝到cache中，在从cache中调用
从两个局部性分别来看
- 时间局部性：对于从主存拷贝到cache中的指令/数据，如果不与映射方式冲突，不会在CPU调用完后就立即擦除（映射方式接下来会介绍），可以理解为，被CPU调用的指令/数据还是保留在cache中，如果下次再次调用这些指令/数据，它们还在cache中，不用从主存取
- 空间局部性：因为从主存中拷贝到cache中的指令/数据是以块为单位的，假如说一个块中有10个数字，刚开始CPU想访问在数字1位置的指令/数据，而cache此时将数字0-9都拷贝进cache中，那么下次CPU想访问在数组5中的指令/数据时，它们也都在cache中
cache与主存的映射
cache与主存可按三种方式进行映射：直接映射、全映射、组映射
直接映射
（直接从网上的视频中摘个题目）
因为主存和cache之间是以块为单位进行传输的，因此cache和主存中每个块的大小要相同
这是直接映射的示意图
从题目中给的计算结果看，cache共分为16个槽（也叫行），主存共分为2048个块
将主存的块根据cache的槽数进行块群的划分
128个块群是由主存的2048个块 / cache的16个槽得来的，主存中每个块群有16个块
直接映射就是每个块群的第几个块只能映射到cache的第几个槽中
这么说有点抽象，换个说法
0块是0块群的第一个块，那么0块就只能映射到cache的第一个槽（0槽）；16块又是1块群中的第一个块，那么16块也只能映射到cache的第一个槽（0槽）
在介绍局部性的时候，我有提过“如果不与映射方式冲突”，试想一下，按照直接映射的方式，CPU第一次访问的是主存的0块，下次访问的是主存的16块呢
接下来介绍地址
从这个图中可以看到，地址分为：主存地址、主存块号、主存标记、cache槽号、块内地址和cache地址
-
块内地址指出来每个块中访问的是第几个单元
-
cache槽号指出存储在第几个槽中
-
cache槽号指出指令/数据存储在cache中第几个槽的第几个单元中
-
主存标记指出访问的是主存中的第几个块群
-
主存块号（主存标记+cache槽号）指出访问的是主存的第几个块
比如我们要对0220CH单元进行访问
0220CH转换成二进制是 0000_0010_0010_0000_1100B
主存标记是前7位 -> 0000_001 （1块群）
cache槽号是主存标记后面的4位 -> 0_001 （1槽）
块内地址是最后的9位 -> 0_0000_1100 （12单元）
主存块号是前11位 -> 0000_0010_001 （17块）
即0220CH单元是主存中1块群1块（17块）中的12单元
直接映射访问方式：
假如CPU想访问主存0块中的12单元，CPU先查看cache的0槽（0块应当映射到0槽中）是否存在0块的内容，如果没有则先将主存0块中的内容拷贝到cache的0槽，在从cache中访问
试想一下，假设我们的cache固定，就是16个槽，如果我们的主存非常大，要分很多块群，是不是就大大增加了hit cache同一个槽的概率了
这也是直接映射的缺点
全映射
全映射是主存中任意一个块都可以映射到cache中的任意一个槽中，没有主存的某个块只能映射到cache的一个槽中的限制
因此，对于全映射的地址来说，主存地址中不存在cache槽号的内容
全映射访问方式：
假如CPU想访问主存0块中的12单元，CPU会从cache的0槽到15槽依次查看0块是否映射到cache中，如果都没有，主存才会将0块映射到cache中
试想一下，如果cache的槽号非常多，CPU每次要访问主存中的某个块里的单元，都要先将cache中的每个槽先查看一遍，是不是很浪费时间
组映射
组映射可以理解为是直接映射和全映射的结合体
在组映射中，会将cache进行分组，每组cache又会存在几个槽
组映射时，主存和cache的组之间映射是直接映射，与cache组中每个槽之间的映射时全映射
就像之前的例子，我们将cache的16个槽分为8组，每组有2个槽，那么在进行组映射的时候，主存在中块会先与cache的组进行直接映射，在确定要映射的组后，再与组内的两个槽进行全映射
这里地址中的标记位指出对应槽取自主存的哪个组群
联想刚才在全映射和直接映射提出的两个极端的情况：
- 如果主存很大（块多），主存的块hit cache同一个槽的概率增大，而在组映射的情况下，主存的块hit的是cache的组，而cache的组内有多个槽，主存的块可以存放在cache组内的任何一个槽中
- 如果cache很大（槽多），CPU要访问主存的某个块时，只需要先在cache的固定组中查看这个块是否存在即可
对比三种映射的地址
直接放图吧
标签：Cache,映射,cache,主存,访问,局部性,CPU 来源： https://www.cnblogs.com/ICcode/p/16496316.html
本站声明： 1. iCode9 技术分享网（下文简称本站）提供的所有内容，仅供技术学习、探讨和分享； 2. 关于本站的所有留言、评论、转载及引用，纯属内容发起人的个人观点，与本站观点和立场无关； 3. 关于本站的所有言论和文字，纯属内容发起人的个人观点，与本站观点和立场无关； 4. 本站文章均是网友提供，不完全保证技术分享内容的完整性、准确性、时效性、风险性和版权归属；如您发现该文章侵犯了您的权益，可联系我们第一时间进行删除； 5. 本站为非盈利性的个人网站，所有内容不会用来进行牟利，也不会利用任何形式的广告来间接获益，纯粹是为了广大技术爱好者提供技术内容和技术思想的分享性交流网站。