【计算机系统原理】 直接映射(模映射) Cache 地址划分与访问过程

目录

直接映射

主存地址划分

[1. 计算地址总位数](#1. 计算地址总位数)

[2. 计算块内偏移量](#2. 计算块内偏移量)

[3. 计算 Cache 行数与行号位数](#3. 计算 Cache 行数与行号位数)

[4. 计算标记位(Tag)位数](#4. 计算标记位(Tag)位数)

[5. 地址划分结果](#5. 地址划分结果)

[主存块与 Cache 行的映射关系](#主存块与 Cache 行的映射关系)

映射规则

[CPU 访问主存单元 0240CH 的过程(Cache 为空)](#CPU 访问主存单元 0240CH 的过程(Cache 为空))

[1. 地址分解](#1. 地址分解)

[2. 访问流程](#2. 访问流程)

核心特点总结


直接映射

主存地址划分

1. 计算地址总位数

主存容量 256KB = 2^8 × 2^10 B = 2^18 B,因此主存地址总长度为 18 位

2. 计算块内偏移量

块大小 64B = 2^6 B,因此块内偏移占 6 位,用于定位块内字节。

3. 计算 Cache 行数与行号位数

  • Cache 总块数(行数):1KB / 64B = 16 = 2^4
  • 因此行号占 4 位,用于定位 Cache 中的目标行。

4. 计算标记位(Tag)位数

标记位 = 地址总位数 - 行号位数 - 块内偏移位数 = 18 - 4 - 6 = 8位,用于唯一标识主存块。

5. 地址划分结果

地址段 位数 作用
标记位(Tag) 8 位 标识主存块,与 Cache 行的标记比较
行号(Index) 4 位 定位 Cache 中的目标行
块内偏移(Offset) 6 位 定位主存块内的具体字节

主存块与 Cache 行的映射关系

映射规则

  • 主存块号 = 主存地址 / 块大小
  • 行号 = 主存块号 mod Cache 行数
  • 主存块只能映射到固定的某一行,无法选择其他行

CPU 访问主存单元 0240CH 的过程(Cache 为空)

1. 地址分解

将十六进制地址 0240CH 转换为 18 位二进制:0240CH = 0000 0010 0100 0000 1100B

  • 块内偏移(低 6 位):000011B0CH
  • 行号(中间 4 位):0100B4
  • 标记位(高 8 位):00000010B02H

2. 访问流程

  1. 地址拆分:CPU 将 18 位地址拆分为 8 位标记、4 位行号、6 位块内偏移。
  2. 行定位 :根据行号 4 定位到 Cache 的第 4 行。
  3. 标记比较
    • 因 Cache 初始为空,该行有效位为 0 → Cache 缺失
  4. 缺失处理
    • 向主存请求读取包含 0240CH 的整个主存块(64B)。
    • 将主存块加载到 Cache 第 4 行中,更新该行标记为 02H,有效位置 1。
  5. 数据读取 :根据块内偏移 0CH,从第 4 行中读取目标字节并返回 CPU。

核心特点总结

  • 直接映射:硬件实现简单,速度快,但块冲突率高,多个主存块会竞争同一 Cache 行。
  • 地址划分:标记位 + 行号 + 块内偏移,行号直接决定映射位置,无替换选择空间。
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