【计算机组成】Cache与CPU的直接映射、全相联映射与组相联映射

一.Cache与CPU需要映射的原因

CPU准备访问内存时，会先问问cache存储器有没有已经提前准备好了数据，如果没有则再找内存要：

如果Cache刚好命中，则直接从Cache中读取数据：

如果Cache没有命中（Cache失效），则CPU再去找内存要：

但通常来说，因为Cache（容量小，速度快）和内存的容量（容量大，速度较Cache略慢）不一样，导致Cache和内存记录数据存储方式不一样，而CPU一般只认识内存的记录方法：

所以就有了Cache与内存的地址映射，方便CPU直接找数据：

二.什么是Cache与CPU的映射

Cache的地址映射中，会以Cache的容量为标准将内存分成相同大小的块（页或者区），根据映射方法的不同，地址的表达方式也不同，常见的映射方式分为：直接映射、全相联映射和组相联映射。

三.直接映射

先把映射方式写出来，再详细介绍：

主存映射如下：

直接映射顾名思义，就是直接把内存的地址“直接”原封不动地放到Cache中，但问题来了，Cache可没有主存那么大的容量，怎么“直接”放呢？后来人们就想到一个办法，把内存分成好几区，每一区就刚刚好是Cache的容量大小，根据空间局部性原理和时间局部性原理将不同的区放到Cache中去，如果CPU需求的块刚好存在了Cache里，就说这是“命中了”，如果没有，就说是“失效”了。

如内存容量为1G，Cache容量为8M，采用直接映射方式就可以将内存分为（1G/8M=128）128块，至于128块中要把哪块分到Cache里面去，就是资源调度需要做的事情了。所以，地址映射中就有“区号”（也称之为块）这个部分，让Cache知道这个区块是从CPU哪个地方拿下来的：

但这样做的一个缺点是，每个区块的页都是固定位置的，如主存中每个区的第 0 页，只能进入到 Cache 的第 0 页。若当前时刻 Cache 中 0 号页已被占据，而 1 到15 页空闲，现在要将 1 区第 0 页（即内存的 16 页）调入 Cache 是会发生冲突的。所以直接映像的区块冲突率非常高。

最后举个例子，如果你想找到一本书里面的某个句子，先找到第几章（区号）后，再找是第几页（页号）中的第几段（页内地址），就能找到你所要的句子，这就是直接映射的地址映射方式。

四.全相联映射

全相联映像使用相联存储器（什么是相联存储可以参考我之前写的文章：【计算机组成】三分钟了解顺序存储、直接存储、随机存储和相联存储的区别）组成的 Cache 存储器。全相联映像方式很简单，就是主存的每一页可以映像到 Cache 的任一页。如果淘汰 Cache 中某一页的内容，则可调入任一主存页的内容：

没有直接映射方式的分区，是一页一页地放进Cache里面去，所以地址映射比较简单：

全相联映射最大的缺点是采用了相联存储的方式，也就是按内容访问（要是不懂的快去看看我上面发的那个连接！！）的方式进行搜索，在进行搜索时，主存地址不能直接提取 Cache 页号，而是需要将主存页标记与Cache 各页的标记逐个比较，直到找到标记符合的页（访问 Cache 命中），或者全部比较完后仍无符合的标记（访问 Cache 失败）。因此这种映像方式速度很慢，失掉了高速缓存的作用，这是全相联映像方式的最大缺点。如果让主存页标记与各 Cache 标记同时比较，则成本又太高。

五.组相联映射

组相联映射则是集以上两者映射方式之大成，即分区又分组，组内可以随意调换位置，很好了折中了直接映射和全相联映射的最大缺点，同时又拥有自己的新东西（分组），使得CPU读取变得更为灵活。怎么分组呢？就是在分完区之后，再在区块里面分组，分多少组就得看看Cache的容量有多大，分完组后，组内的页可以随意调换位置，没有特定的限制：