【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

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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 行
• 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）：000011B → 0CH
• 行号（中间 4 位）：0100B → 4 行
• 标记位（高 8 位）：00000010B → 02H

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。