计算机组成原理中的缓存与主存储器映射方式

简介：
本课程专注于讲解计算机系统中缓存和主存储器之间的映射机制，包括直接映射、全相联及组相连等技术，并分析其性能影响。 Cache 和主存的映射方式是计算机组成原理中的一个重要知识点。为了提升计算机性能，需要选择合适的映射方法以实现高效的数据访问。 全相联映射提供了一种灵活的方式，在这种模式下，任意一个主存储块可以被放置在缓存内的任何位置上。这意味着每个缓存行或缓存块都有可能包含来自内存中任一位置的信息。这种方式的优点在于能够充分使用缓存空间，但缺点是寻址时间较长。 直接映射则提供了一种简单的方法，在这种方法下，每一个主存储块只能被放置在特定的缓存地址上。例如，若共有8个缓存块，则主存储块号为1的位置就是第1个（即 1%8=1），而主存储块号为9的位置也同样是第一个（因为 9%8=1）。这种方式的优点在于寻址时间短，但缺点是缓存利用率较低。 组相联映射提供了一种折中的方法，在这种方法下，缓存被划分为多个小组，并且每个小组内的缓存行数相同。例如，如果将缓存分成4个组且每组有2块，则可以通过主存储块号对分组总数取余来确定某一个特定的主存储块应放在哪个分组中。这种方式的优点在于既保持了较短的寻址时间又提高了缓存利用率。 为了区分Cache中的数据属于哪一个内存区域，我们使用标记位和有效性位进行标识。其中，标记用于记录对应于哪一块内存的数据；而由于硬件层面只能表示0或1的状态，因此需要增加一个有效位来确认该标记是否被正确设置。当有效位置为1时，意味着对应的缓存行是有效的。 选择合适的映射方式对于提高计算机性能至关重要，并且这在计算机组成原理中占据着重要的地位。