Cache 映射方式详解

Cache 映射方式详解

一、直接映射（Direct Mapping）

原理：每个主存块只能映射到 唯一的一个 Cache 块，映射公式为：Cache 块号=主存块号modCache 块数

示例：

• Cache 大小：8 块（块号 0-7）
• 主存块号：20 → 20mod8=4，映射到 Cache 块 4。

示意图：

主存块 ────┬─── 0 → Cache 0  
          │   1 → Cache 1  
          │   ...  
主存块 20 ──→ Cache 4 （唯一映射）  
          │   ...  
          └─── 23 → Cache 7 （23 mod 8=7）  

优点：硬件简单，访问速度快。
缺点：冲突率高（不同主存块可能争夺同一 Cache 块）。
应用：早期 CPU 缓存（如 Intel 80486）。

二、全相联映射（Fully Associative Mapping）

原理：每个主存块可映射到 任意一个 Cache 块，通过标签（Tag）匹配查找。

示例：

• Cache 大小：8 块
• 主存块号：10 → 可存入 Cache 0-7 任意块（需记录标签）。

示意图：

主存块 0 ────▶ Cache 0（或任意块）  
主存块 1 ────▶ Cache 1（或任意块）  
...  
主存块 10 ───▶ Cache 3（示例）  
...  

优点：无冲突（灵活选择空闲块）。
缺点：查找需遍历所有 Cache 块，硬件复杂。
应用：小容量 Cache（如寄存器堆）。

三、组相联映射（Set Associative Mapping）

原理：Cache 分 “组”，每组内为全相联映射。映射公式：Cache 组号=主存块号modCache 组数
组内块号：任意（全相联）。

示例（2 路组相联）：

• Cache 大小：8 块 → 4 组（每组 2 块）。
• 主存块号：12 → 12mod4=3 组，可存入组 3 的 2 个块之一。

示意图：

组 0：块 0、块 1  
组 1：块 2、块 3  
组 2：块 4、块 5  
组 3：块 6、块 7（主存块 12 映射到组 3，可选块 6 或 7）  

优点：平衡冲突率与硬件复杂度（常用 2/4/8 路）。
缺点：比直接映射复杂，比全相联简单。
应用：现代 CPU 缓存（如 Intel Core i7 的 L1/L2 缓存）。

对比与总结

映射方式	冲突率	硬件复杂度	查找速度	典型应用
直接映射	高	低	快	早期缓存
全相联映射	低	高	慢	小容量缓存（如 TLB）
组相联映射	中	中	中	现代 CPU 缓存（L1/L2/L3）

示意图总结

主存块 ────┬─── 直接映射：1:1 固定映射  
          │  
          ├─── 全相联映射：1:N 任意映射  
          │  
          └─── 组相联映射：分组后每组 N:1 全相联（例：2 路组相联）  

关键概念：

• 标签（Tag）：主存块的高位地址，用于匹配 Cache 块。
• 块偏移（Offset）：块内字节地址（所有映射方式均需）。
• 组索引（Set Index）：组相联映射中确定组的中间地址。

示例扩展（地址结构）：

假设主存地址 32 位，块大小 4KB（12 位偏移）：

• 直接映射：
  Tag（高位） + Cache 块号（中间） + 偏移（低位）
• 组相联（2 路）：
  Tag（高位） + 组号（中间） + 块号（组内） + 偏移
• 全相联：
  Tag（全部高位） + 偏移

通过合理设计映射方式，CPU 可在速度（直接映射）、灵活性（全相联）和成本（组相联）之间取得平衡。现代系统普遍采用组相联映射（如 8 路组相联的 L3 缓存），以优化性能。