直接缓存映射Direct Mapped Cache

这张图展示了**直接映射缓存(Direct Mapped Cache)**的结构和工作原理,并解释了如何将主存中的块映射到缓存中的特定行(组)。以下是引用第 0 块和第 8 块时的细节分析:

直接映射缓存的特点

  • 映射规则:主存中的每个块只能映射到缓存中的唯一位置。
  • 地址分解
    • 地址分为标记位行号两部分。
    • 行号用于定位缓存中的具体行。
    • 标记位用于判断缓存行中的数据是否与当前访问的主存块匹配。

第 0 块和第 8 块的映射

在这张图中,主存的第 0 块和第 8 块都映射到缓存的第 0 行。这是因为:

  • 行号计算方式 :行号 j 的计算公式为:
    j = i m o d    2 m j = i \mod 2^m j=imod2m
    其中 ( i ) 是主存块号,( m ) 是缓存行数的指数(即缓存有 ( 2^m ) 行)。
  • 示例
    • 主存块 0:( j = 0 \mod 2^3 = 0 ),因此主存块 0 映射到缓存的第 0 行。
    • 主存块 8:( j = 8 \mod 2^3 = 0 ),因此主存块 8 也映射到缓存的第 0 行。

缓存冲突与替换

  • 冲突问题:由于直接映射的唯一性,主存中的多个块可能会映射到缓存的同一个行。例如,第 0 块和第 8 块都映射到缓存的第 0 行。
  • 替换 :当主存的第 0 块被加载到缓存的第 0 行后,如果再访问第 8 块,第 0 行会被第 8 块替换,造成缓存冲突
  • 标记位的作用:标记位用于区分同一缓存行中不同的主存块。当访问发生时,先根据行号找到缓存行,再通过标记位判断该行中的数据是否是所需数据。

总结

  • 直接映射缓存通过行号将主存块映射到唯一的缓存行,简单且快速,但冲突率较高。
  • 第 0 块和第 8 块都映射到缓存的第 0 行,因此如果在较短时间内交替访问这两个块,会频繁发生替换,导致较低的缓存命中率。
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