高速缓存与主存的三种映射方式

1、全相联映射方式

全相联映射是指主存中任意一个块都可以映射到cache中任意一个块的方式，也就是说，当主存中的某一块需调入cache时，可根据当时cache的块占用或分配情况，选择一个块给主存块存储，所选的cache块可以是cache中的任意一个块。例如，设cache共有2^C块，主存共有2^M块，当主存的某一块j需调进cache中时，它可以存入cache的块0、块1、…、块i、…或块2^C - 1的任意一块上。如下图所示：

优点：命中率比较高，cache存储空间利用率高；

缺点：存储映射信息的相联存储器庞大，比较电路复杂，查询相联存储器时，每次都要与全部内容比较，速度低，成本高，因而只适合于小容量的cache之用，应用少。

2、直接相联映射方式

直接相联映射方式是指主存的某块j只能映射到满足如下特定关系的cache块i中：

i＝j mod 2^C

上图中，主存的第0、2^C、2^(C＋1)、…块只能映射到cache的第0块，主存的第1、2^C+1、2^(C＋1)+1、…块只能映射到cache的第1块，……，主存的第2^C-1、2^(C＋1)-1、…2^M-1块只能映射到cache的第2^C-1块。即：对2^C求余后余数相同的主存块对应cache中同一个块。如下图所示：

优点：比较电路最简单，地址映射方式简单，数据访问时，只需检查区号是否相等即可，因而可以得到比较快的访问速度，硬件设备简单。

缺点：cache块冲突率较高，余数相同的主存块无法同时进入cache，从而降低了cache的利用率。由于主存的每一块只能映射到cache的一个特定块上，当主存的某块需调入cache时，如果对应的cache特定块已被占用，而cache中的其它块即使空闲，主存的块也只能通过替换的方式调入特定块的位置，不能放置到其它块的位置上，替换操作频繁，命中率比较低。

3、组相联映射方式

组相联映射方式下，将cache分成2^u组，每组包含2^v块。主存的块与cache的组之间采用直接相联映射，而与组内的各块则采用全相联映射。也就是说，主存的某块只能映射到cache的特定组中的任意一块。主存的某块j与cache的组k之间满足如下关系：k＝j mod 2^u

设主存共有2^s×2^u块（即M＝s+u），则它们的映射关系如下图所示：

图中，主存的块0、2^u、2^(u＋1)、…、[2^(s-1)]2^u可以映射到cache的第0组的任意一块，主存的块1、2^u+1、2^(u＋1)+1、…、[2^(s-1)]2^u+1可以映射到cache的第1组的任意一块，……，主存的块2^u-1、2^(u＋1)-1、…、2^M-1可以映射到cache的第2^u-1组的任意一块。

优点：块的冲突概率比较低，块的利用率大幅度提高，块失效率明显降低。

缺点：实现难度和造价要比直接映射方式高。