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：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。

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。

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 。

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。

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。

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。