如何直接映射缓存的工作？(How does direct mapped cache work?)

我正在一个系统架构课程，我听不太懂直接映射缓存是如何工作的。

我已经看过好几个地方，他们以不同的方式这让我更糊涂了解释。

我不明白是什么是标签和索引，以及他们如何选择？

从我的演讲的解释是：“地址划分是分为两名部分的索引用于寻址（32K）的RAM地址直接的休息时，标签被存储，并与输入标签进行比较（例如，15个比特）。”

在这情况下标签是从哪里来的？因为它呈现直接映射缓存无用的（当与全关联缓存相比），它不能在RAM内存位置的完整地址。

非常感谢你。

Answer 1:

好的。因此，让我们先了解CPU和缓存交互。

有存储器三层（广义地说） - cache （通常由SRAM芯片）， main memory （通常由DRAM芯片），并storage （通常磁性，如硬盘）。每当CPU从某个特定位置需要的任何数据，它首先搜索缓存，看看它的存在。高速缓存位于最靠近CPU在内存中层次结构方面，因此，它的访问时间是最少的（和成本是最高的），所以如果数据CPU正在寻找能在那里找到，它构成了一个“重灾区”，而数据从那里通过CPU使用获得。如果它不存在，则该数据必须从主存储器到高速缓冲移动之前它可以由CPU来访问（CPU一般仅与高速缓存进行交互），即招致时间损失。

因此，找出数据是否存在或不在缓存中，各种算法被应用。一个是这个直接映射高速缓存方法。为简单起见，我们假设一个存储器系统，其中有可用的可用的（编号为0〜9）10点的高速缓冲存储器的位置，和40个的主存储器位置（编号0到39）。这幅画总结说：

有40个的主存储器位置，但是仅提供高达10可容纳在缓存中。所以，现在，通过一些手段，需要被重定向到一个缓存位置从CPU传入的请求。这有两个问题：

如何重定向？具体而言，如何做到这一点的，不会随时间而改变可预测的方式？
如果缓存位置已经与一些数据填充，从CPU传入请求必须确定从它要求数据的地址是否相同，其数据存储在该位置的地址。

在我们的简单的例子，我们可以通过一个简单的逻辑重定向。鉴于我们已映射从0顺序编号39〜10的高速缓存单元40个的主存储器位置编号为0到9，用于存储器位置的缓存位置n可以是n%10 。所以21个对应于如图1所示，37对应于图7，等。即成为索引。

但37，17，7都对应于7所以他们之间的区别，自带的标签。所以就像指数为n%10 ，标签是int(n/10) 所以，现在37，17，7将具有相同的索引7，但不同的标签，如3,1，0，等。即，该映射可以完全由两个数据所指定 - 标签和索引。

所以，现在如果一个请求进来的地址位置29 9.指数对应的缓存位置数将转化为2的标签和索引，因此缓存位置没有。 9将被查询，看它是否包含任何数据，如果是这样，如果相关标签2.如果有，它是一个CPU命中和数据将从该位置立即取出。如果是空的，或者标签不为2，这意味着它包含对应于一些其它存储器地址，而不是29的数据（虽然会具有相同的索引，这意味着它包含来自地址等9,19数据， 39，等等）。所以这是一个CPU小姐，从位置数据没有。在主存储器29将必须被加载到位置29（和变更为2的标签，和删除这是有之前的任何数据），之后它将由CPU要获取的缓存。

Answer 2:

允许用一个例子。 64千字节的高速缓存，具有16字节高速缓存行具有4096个不同的高速缓存行。

你需要打破地址分为三个不同的部分。

最低位被用来告诉你，当你把它找回来的缓存行内的字节，这部分是不能直接在高速缓存中查找使用。（在该例子位0-3）
接下来的比特用于索引缓存。如果你觉得缓存中的高速缓存行大列，指数位告诉你，你需要注意你的数据哪一行。（在该例子位4-15）
所有其他位是标记位。这些位存储在标签存储件已存储在缓存中的数据，我们比较缓存请求，我们已经存储了什么的相应位弄清楚我们是否cacheing的数据是被请求的数据。

您使用的指数位的数量是log_base_2（number_of_cache_lines）它是真正的集数，但在直接映射高速缓存，也有相同的行数和集]

Answer 3:

直接映射高速缓存就是这样具有的行也被称为高速缓存行和至少2个列一个用于数据和另一个用于标签的表。

下面是它如何工作的：对缓存的读取访问需要被称为指数，并用它作为行数的地址的中间部分。该数据和标签在同一时间都抬起头来。接着，标签需要与地址的上部进行比较，以决定是否该行是从相同的地址范围在存储器中并且是有效的。与此同时，该地址的下部可以用来选择来自高速缓存行的请求的数据（我假设一个高速缓存行可以容纳几个话数据）。

我强调了数据访问和标签访问一点点+比较发生在同一时间，因为这是关键，以减少等待时间（缓存的目的）。数据路径RAM存取不需要有两个步骤。

其优点在于读基本上是一个简单的表查找和比较。

但它是直接映射，这意味着，每读地址恰好有在这个数据可以被缓存缓存一个地方。因此，缺点是很多其他地址将被映射到同一个地方，这个高速缓存行可以竞争。

Answer 4:

我发现，在已经给我提供我所需要的明确的解释图书馆一本好书，我现在碰到这个线程在这里分享的情况下，其他一些学生跌倒，而搜索关于缓存。

本书是“计算机体系结构-一种定量方法”第三版由轩尼诗和帕特森，第390页。

首先，请记住，主存储器划分成块的高速缓存。如果我们有一个64个字节的高速缓存和1 GB的RAM，该RAM将被分成128个块KB（1 GB RAM / 64B缓存= 128 KB块大小的）。

从书：

在哪里能块放置在缓存？

如果每块只有一个可以出现在高速缓存的地方，高速缓存被认为是直接映射 。目的地块使用此公式计算： <RAM Block Address> MOD <Number of Blocks in the Cache>

所以，让我们假设有内存32块和高速缓存的8块。

如果我们想从RAM块12存储到缓存中，RAM块12将被存储到缓存块4，为什么？因为8分之12= 1其余4.其余是目标块。

如果一个块可以在任何地方在缓存中放置，缓存被认为是完全相关的 。
如果一个块可以在任何地方在受限制的组的高速缓存中的地方放置，缓存关联设置 。

基本上，一个集是一组在高速缓存块。一个块首先被映射到一组，然后将块可以被放置在任何地方所设置的内侧。

的公式为： <RAM Block Address> MOD <Number of Sets in the Cache>

这样，让我们假设我们有RAM 32个块，并分成4组的高速缓存（具有两个块的每组，共意8块）。这样设置0将有块0和1，设置1将有块2和3，等等...

如果我们想RAM块12存储到缓存中，RAM块将被保存在高速缓存块0或1。为什么呢？因为12/4 = 3余数为0。因此设定0被选择，并且块可以放在任何地方内设定为0（意味着块0和1）。

现在，我将回到我原来的问题与地址。

块是如何发现，如果它是在缓存中？

在高速缓存中的每个块帧都有一个地址。只是要清楚，一个块具有地址和数据。

块地址被划分为多个部分：标签，索引及偏移。

该标记被用于找到所述高速缓存内的块，索引仅示出了其中块位于（使它相当冗余）和用于选择所述数据的偏移量的设定。

通过“选择数据”我的意思是，在一个高速缓存块有明显会超过一个存储单元，用于它们之间进行选择的偏移。

所以，如果你要想象一个表，这些将是列：

TAG | INDEX | OFFSET | DATA 1 | DATA 2 | ... | DATA N

标签将被用来寻找块，指数将显示在其中设置的块，偏移会选择字段在其右侧的一个。

我希望我的这种理解是正确的，如果不是请让我知道。

文章来源: How does direct mapped cache work?