通过访存地址获取主存数据的过程

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1.根据访存地址在Cache中查找数据

2.如果在Cache中命中

3.如果没有命中

4.数据送CPU

5.做几道题：

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主要厘清思路，中间细节需自行补充!

1.根据访存地址在Cache中查找数据

 ① 访存地址的结构会根据Cache和主存之间的映射方式不同而改变。映射方式有三种：直接映射，全相联映射和组相联映射（这里不细讲，还不清楚的可以到主页搜关键词或者回看书）。

注意：

第一点：

Cache只是保存了主存的一部分副本，主存会将某些主存块复制到Cache中，也就是Cache行中。也就是Cache行的大小等于主存块的大小。所以不能把Cache行想象为一行一行的结构，因为里面包含很多个存储单元。

第二点：

在直接映射中，有下面的关系图，可能会有人误解，Cache是由Cache行号和块内地址组成的，不是这样的。

这里这样画的原因：

Cache的块数（行数）比主存块数小很多，所以表示Cache块的位数肯定比表示内存块的位数小。这里的位数差就可以反映Cache和主存的容量差。（例如，主存块为16块（2^4），Cache块为4块（2^2）,那么2^4/2^2=4，主存容量就是Cache容量的4倍）。

假设主存块号为13，Cache总行数为4（也就是只拷贝了主存的4个主存块）。那么其Cache行号=13%4=1。主存块号用二进制表示出来是1101。这里的01，和上面作余求出来的结果是一样的。所以用主存块号的低位就可以计算出Cache的行号，具体用低几位？

那就要看Cache的总行数，例如上面Cache行为4，那么用2位（2^2）就可以表示Cache行号了。

那么主存块号的高位用来作什么呢？主存块号的高位，我们称之为"标记位"。在Cache行中也有相应的标记位。将主存地址的高位的标记位与Cache中的标记位进行匹配。如果匹配成功，且Cache的有效位置"1"。那么就表示"命中"。也就是CPU想要的数据可以在Cache中找到，不需要访存了。

所以Cache数据区的容量比主存小很多，小多少可以看两者位数的差值（差的位数），而两者的差值正好对应tag的位数。例如：根据主存容量是 Cache 容量（当然是数据部分Cache）的 4096 倍。那么tag位就有12（2^12）位。

结论：tag位数=log2（主存大小/Cache数据区大小）

第三点：

那么Cache的真正结构是什么呢？

上面反复提到了Cache的数据区。首先我们要明白，我们常说的Cache块的大小和主存块大小相同实际指的是数据Cache（Cache的数据部分）。例如下图，主存块大小为64B，那么Cache的数据部分就是64B。

相对于主存块，Cache还有额外的标记项，上面的标记项忽略了脏位和替换控制位，实际的Cache行标记项：

在组相联映射中将每组各行的标记项排成一行，将各组从上到下排列，构成一个二维的标记阵列。查找 Cache时就是查找标记阵列的标记项是否符合要求。二路组相联的标记阵列如图 

2.如果在Cache中命中

以直接映射为例，首先会根据访存地址的主存块号的低位找到相应的Cache行，接着对比这个Cache行对应的标记位，如果标记位相同，且有效位为"1"，则命中。这时根据访存地址的块内地址，在Cache行中存取信息即可。

3.如果没有命中

则需要到主存中找读数据，这就需要将逻辑地址转换为物理地址（涉及操作系统--内存管理内容），并且根据物理地址，在主存中查找相应的数据。

以页式存储管理为例：

拿个题举例：

一分页存储管理系统中，逻辑地址长度为16位，页面大小为4k，现有一逻辑地址为2F6AH(十六进制)，页号对应块号如下表，求逻辑地址2F6AH对应的物理地址。

① 将十进制转换为二进制为0010 1111 0110 1010  页号 页内地址

② 由于页面大小(内存块大小)为4K，那么页内地址位数：4K=2^2*2^10=2^12。那么页号位数就是16-12=4位。页号（0010）=2，对应块号是7（0111）。

③ 物理地址：

块号+页内地址：0111 1111 0110 1010  块号 页内地址

④ 最后将这个地址写为16进制就行。

其他的，具有快表的地址变换机构，以及其他的内存管理方式（段式存储管理，段页式存储管理）可以看这篇：（计算机组成原理和操作系统这两部分一定要结合起来学）

http://t.csdnimg.cn/C6fw7
 

4.数据送CPU

在主存中找到相应数据后，还需要将数据送到Cache行中。将标记设为地址的高位，有效位置"1"

同时将该地址的内容送CPU。

直接映射：对于直接映射，主存中的每一块只能装入Cache的对应行（主存块号%Cache总行数）。所以将数据送到对应Cache行中即可。

全相联映射：将数据送到Cache的任意空闲行中。

组相联映射：送到相应的Cache组内的任意空闲行中。

注意：即使CPU要找到数据对应存在于主存的某个存储单元中，但是CPU还是会读出这个存储单元所在的内存块的一整块信息送到对应的Cache行中。

5.做几道题：

地址映射表，即标记阵列，指的是Cache的标记项（有效位，脏位，替换控制位，标记位），由于这里忽略了脏位和替换控制位，所以只需要考虑有效位（1位）和标记位：

标记位有多少位呢？

根据主存容量是 Cache 容量的 4096 倍。那么tag位就是12位（2^12）。所以标记项就是12+1=13位。

又因为Cache有64块，所以地址映射表大小：64*13bit

这里的有效容量指的就是Cache的数据部分，每块16B，那么Cache行大小=主存块大小=16B=2^4。

① Cache中总共有多少Cache块：2^7*2^10=2^17        2^17/2^4(16B)=2^13

② 总共有多少cache组：2^13/2^3(8路组相联)=2^10

③ 主存地址：标记（剩余部分）+组号（10位）+块内地址（4位）

1234567H=0001 0010 0011 01 00 0101 0110 0111

00010010001101转化为16进制，答案C。

直接映射方式：主存地址：标记+行号+块内地址

① 主存容量（2^20）是Cache容量（2^4*2^10=2^14）的2^6倍，所以标记位为6位。

② 每字32位，块内地址为5位（2^5）

③ 主存地址：0011 0101 0011 0000 0001

010011000换算为十进制：152

组相联映射中，主存地址的组成：标记+组号+块内地址

主存块大小和Cache块大小都增加一倍，那么块内地址位数+1(自己想一下2^2=4是2^1=2的一倍)。

n路组相联表示每组中包含n个Cache行，Cache的总容量不变，Cache的大小增加一倍，那么Cache行数减少一倍，组数自然减少一倍（试想一下，8行2路，则有4组，现在4行2路，则只有2组）。块内地址和组号一增一减，tag位数不变。

直接带选项，拿B选项举例：

直接映射：

① 主存按字节编址，块大小是16B，所以先要计算主存单元在哪个主存块中：

由于主存单元从0开始编号，则48号主存单元，其实是第49个主存单元：49/16=3.065。则存放在第4个主存块中，主存块号是3

② 主存块号是3，再余Cache行数，3%16=3。则存放在3号Cache行。

另一个同理，308/16=19        19%16=3。

组相联映射：

48号存储单元主存块号是3，余Cache组号（8组）：3%8=3。

另一个同理：19%8=3。

都存放在3号Cache组中，所以可能发生冲突。

采用全相联映射，主存地址：标记+块内地址

主存块大小为1个字（32位）=4B，所以用2位表示即可。剩余30（32-2）位为标记

Cache容量=存储容量+标记阵列容量

① 题目中已经告知存储容量为32K字数据：2^5*2^10*2^5=2^20

② 题目中采用回写法（脏位1）随机替换策略（不需要替换控制位）。所以每个Cache行的标记项组成：

有效位(1)+脏位(1)+标记位(30)=32

③ Cache块可以存放32K字数据，主存块大小=Cache块大小=1个字。所以Cache块数为

2^15（32K=2^5*2^10）

④ 所以Cache容量：2^20+(1+1+30)*2^15=2^10(1024+1024)=2048K