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对cache存储系统来讲，什么是地址映像？什么是地址变换？地址映像的规则有哪些

2025-03-26 19:01:51

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回答1：

所谓映象问题是指如何确定Cache中的内容是主存中的哪一部分的拷贝，即必须应用某种函数把主存地址映象到Cache中定位，也称地址映象。当信息按这种方式装入Cache中后，执行程序时，应将主存地址变换为Cache地址，这个变换过程叫作地址变换。地址映象方式通常采用直接映象、全相联映象、组相联映象三种。 1.直接映象每个主存地址映像到Cache中的一个指定地址的方式，称为直接映象方式。在直接映象方式下，主存中存储单元的数据只可调入Cache中的一个位置，如果主存中另一个存储单元的数据也要调入该位置则将发生冲突。地址映像的方法一般是将主存空间按Cache的尺寸分区，每区内相同的块号映像到Cache中相同的块位置。一般地，Cache被分为2N块，主存被分为同样大小的2M块，主存与Cache中块的对应关系可用如下映像函数表示:j = i mod 2N。式中，j是Cache中的块号，i是主存中的块号。直接映象是一种最简单的地址映像方式，它的地址变换速度快，而且不涉及其他两种映像方式中的替换策略问题。但是这种方式的块冲突概率较高，当称序往返访问两个相互冲突的块中的数据时，Cache的命中率将急剧下降，因为这时即使Cache中有其他空闲块，也因为固定的地址映像关系而无法应用。 2.全相联映象主存中的每一个字块可映像到Cache任何一个字块位置上，这种方式称为全相联映像。这种方式只有当Cache中的块全部装满后才会出现块冲突，所以块冲突的概率低，可达到很高的Cache命中率;但实现很复杂。当访问一个块中的数据时，块地址要与Cache块表中的所有地址标记进行比较已确定是否命中。在数据块调入时存在着一个比较复杂的替换问题，即决定将数据块调入Cache中什么位置，将Cache中那一块数据调出主存。为了达到较高的速度，全部比较和替换都要用硬件实现。 3.组相联映象组相联映象方式是直接映象和全相联映象的一种折衷方案。这种方法将存储空间分为若干组，各组之间是直接映像，而组内各块之间则是全相联映像。它是上述两种映像方式的一般形式，如果组的大小为1，即Cache空间分为2N组，就变为直接映像;如果组的大小为Cache整个的尺寸，就变为了全相联映像。组相联方式在判断块命中及替换算法上都要比全相联方式简单，块冲突的概率比直接映像的低，其命中率也介于直接映像和全相联映像方式之间。 ·替换策略和一致性问题的处理方法 Cache和存储器一样具有两种基本操作，即读操作和写操作。当CPU发出读操作命令时，根据它产生的主存地址分为两种情形:一种是需要的数据已在Cache中，那么只需直接访问Cache，从对应单元中读取信息到数据总线;另一种是需要的数据尚未装入Cache，CPU需从主存中读取信息的同时，Cache替换部件把该地址所在的那块存储内容从主存拷贝到Cache中;若Cache中相应位置已被字块占满，就必须去掉旧的字块。常见的替换策略有两种: 1.先进先出策略(FIFO)FIFO(First In First Out)策略总是把最先调入的Cache字块替换出去，它不需要随时记录各个字块的使用情况，较容易实现;缺点是经常使用的块，如一个包含循环程序的块也可能由于它是最早的块而被替换掉。 2.最近最少使用策略(LRU)LRU(Least Recently Used)策略是把当前近期Cache中使用次数最少的那块信息块替换出去，这种替换算法需要随时记录Cache中字块的使用情况。LRU的平均命中率比FIFO高，在组相联映像方式中，当分组容量加大时，LRU的命中率也会提高。当CPU发出写操作命令时，也要根据它产生的主存地址分为两种情形:一种是不命中时，只向主存写入信息，不必同时把这个地址单元所在的整块内容调入Cache中;另一种是命中时，这时会遇到如何保持Cache与主存的一致性问题，通常有三种处理方式: 1.直写式(write through)即CPU在向Cache写入数据的同时，也把数据写入主存以保证Cache和主存中相应单元数据的一致性，其特点是简单可靠，但由于CPU每次更新时都要对主存写入，速度必然受影响。 2.缓写式(post write)即CPU在更新Cache时不直接更新主存中的数据，而是把更新的数据送入一个缓存器暂存，在适当的时候再把缓存器中的内容写入主存。在这种方式下，CPU不必等待主存写入而造成的时延，在一定程度上提高了速度，但由于缓存器只有有限的容量，只能锁存一次写入的数据，如果是连续写入，CPU仍需要等待。 3.回写式(write back)即CPU只向Cache写入，并用标记加以注明，直到Cache中被写过的块要被进入的信息块取代时，才一次写入主存。这种方式考虑到写入的往往是中间结果，每次写入主存速度慢而且不必要。其特点是速度快，避免了不必要的冗余写操作，但结构上较复杂。此外，还有一种设置不可Cache区(Non-cacheable Block)的方式，即在主存中开辟一块区域，该区域中的数据不受Cache控制器的管理，不能调入Cache，CPU只能直接读写该区域的内容。由于该区域不与Cache发生关系，也就不存在数据不一致性问题。目前微机系统的BIOS设置程序大多允许用户设置不可Cache区的首地址和大小。

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