高速缓存器cache，三种关联方式——全相关联映射/直接关联映射/组关联映射

cache-主存体系

1. cache和主存，cache使用SRAM构成的，速度快容量较为小但是价格昂贵；主存/内存使用DRAM构成的，速度较慢但是容量且价格便宜；
2. 所以使用cache-主存体系来使得速度接近cache而容量等于主存且价格较为便宜注意是容量等于主存而不是大于，因为，cache里边的内容都是主存的拷贝，所以并没有扩充容量；
3. cache-主存体系的设计思想依据：程序的时间局部性和空间局部性；
4. 什么是时间局部性？程序被访问后的某一段时间内还可能被访问，比如循环冒泡排序等；
5. 什么是空间局部性？CPU访问某个存储单元后还可能访问它的相邻存储单元；
6. cache对于CPU来说是透明的，对于CPU来说，感觉上还是在直接访问主存，可以用如下图来表示：
   

CPU对cache 和 主存的访问都是按字节访问的，但是cache 对 主存的访问时按整块进行的；
如果CPU访问的内容不在cache ，则CPU直接访问主存的存储单元，同时把这一块放在cache中，那么下一次再访问时访问cache的概率会增加；（目的就是进肯能让CPU的访问尽可能在cache中完成）；

cache和块

1. 块就是把把一些相邻的存储单元放在一块，通常以2ⁿ个存储单元为一个块，并且cache 和 主存的块要对齐；
2. 当块分好之后，块号的变化是一致的，此时CPU访问的地址可以写成块号+块的偏移地址的形式；
3. CPU给定存储单元的地址之后，低位（块的偏移地址）给定后，就确定了在什么地方，因为主存中的块可能放在cache中的不同位置，但是无论在哪，只要找到块号，然后直接加上偏移地址就是要访问的地址；（就是建立了cache和主存的块号的映射）

三种关联方式（cache到主存的映射方式）

根据主存中“块”在Cache中“行”的放置限制和地址映射方法，可以分为：

全相关联映射：主存中的一块可以放置到Cache的任意行
直接关联映射：主存中的一块只能放置到Cache的特定行
组相关联映射：主存中的一块只能放置到Cache的特定组，在组内可以放置到任意行

1. 全相关联映射；

如图假设图中有cache有8行，内存中美分为256块，cache的前半部分是标记(8位)正好对应内存中的块号，而后半部分则是每一块中的所有地址（标记+偏移地址）构成的存储单元；看下一张图你就明白了：

全相关联映射的优点是：冲突率小，cache的利用率高，缺点是比较器难实现，需要一个访问速度很快代价很高的相连存储器（多路比较器）；==因为CPU给定存储单元的地址之后，需要首先拿CPU给定地址记为add1的块号和所有的cache的块号进行比较，如果命中（就是cache中存在和add1的块号相等的标记），那么就把块号+便宜地址（add1的偏移地址部分）就得到了在cache中的位置；否则的话就是未命中，未命中的话地址必定存在内存中；于是使用同样的方法去遍历，然后找到（一定能找到）;

2.直接关联映射

采用类似哈希表的思想对内存地址到cache中的地址进行映射；
采用如下的公式进行映射：cache放置的行号==内存块号%Cache行数；映射后内存中的某块放在cache中的哪一行取决于低三位（本例中是第三位，实际上加入cache有n行，应该是低log2（n）位）；
由于在这种映射的方式下，每行放置的块号的后三位是确定的（都是一样的比如00000 000 和 00001 000）所以cache中的标记只需要存放5位即；下图中的r=行号（000~~111）S表示块号，字就是地址偏移量，S和字和上边的是相同的，只不过新加了r为行号；

所以当CPU给出一个存储单元的地址之后，这个地址即为add1，取出add1的tag段，就是块号-第三位，放入比较器中和cache中的标记（5位，也是块号-3位）进行比较如果存在的话就找到了，在加上偏移地址就是cache中的地址，一共是s-r+偏移地址，因为不需要行号，本身cache中也没存，但是如果没匹配上，就需要加上行号r再去主存中找；

3.组关联映射

组关联映射算是上述两种方案的一种折中方案；同直接映射，只不过是块号的低位映射到cache的组号，cache组内可以任意放置；
映射公式如图中：cache中放置的组号==内存块号%cache组数；

类似直接映射，cache的标记位存放6位，然后记为CPU给定地址为add1，从add1中取出块号-组号和cache中的标记对比，如果存在，就在cache中对应的组再加上偏移地址，就找到了地址，否则，不存在，add1的块号-组号再加上组号+偏移地址后再在主存中寻找改地址；