Cache 的映像与变换方法主要用于解决主存数据如何映射到 Cache 及地址转换问题，其核心分类如下：
一、全相联映像（Fully Associative Mapping）
- 定义
主存的任意数据块可映射到 Cache 的任意位置，无固定对应关系。 - 地址变换规则
- 主存地址分为 块号（Tag） 和 块内地址（Offset）。
- Cache 维护 目录表（Tag表），通过并行比较所有 Tag 判断是否命中。
- 优点
- 灵活性强，块冲突概率最低，Cache 利用率高。
- 缺点
- 硬件实现复杂（需多路并行比较器），成本高，速度较慢。
- 适用场景
小容量 Cache 或对命中率要求高的场景。
二、直接映像（Direct Mapping）
- 定义
主存数据块只能映射到 Cache 的 固定位置，规则为：
[
\text{Cache 块号} = \text{主存块号} \mod \text{Cache 总块数}
]。 - 地址变换规则
主存地址划分为 区号（Tag）、块号（Index） 和 块内地址，通过直接取模定位 Cache 块。 - 优点
- 硬件实现简单（无需复杂比较器），访问速度快。
- 缺点
- 块冲突率高，Cache 利用率低（同一 Cache 块可能被不同主存区块竞争）。
- 适用场景
大容量 Cache 或对成本敏感的系统。
三、组相联映像（Set Associative Mapping）
- 定义
主存与 Cache 均分组，组间采用 直接映像，组内采用 全相联映像，平衡灵活性与复杂度。 - 地址变换规则
- 主存地址分为 Tag、组号（Set Index） 和 块内地址。
- 主存块映射到对应 Cache 组，并在组内任意位置存放。
- 优点
- 冲突率低于直接映像，硬件复杂度低于全相联，综合性能较优。
- 缺点
- 组内需比较多个 Tag，实现成本仍高于直接映像。
- 适用场景
中等规模 Cache，广泛用于现代 CPU（如 4 路或 8 路组相联）。
四、段相联映像（Segment Associative Mapping）
- 定义
组间全相联、组内直接映像的变种，进一步优化组相联的目录表容量。 - 地址变换规则
- 主存按段划分，段内采用直接映像，段间全相联。
- 优点
- 降低相联比较次数，提升地址变换速度。
- 缺点
- 灵活性略低于传统组相联，需额外管理段号。
- 适用场景
对目录表容量敏感的嵌入式系统。
地址变换方法对比
| 方法 | 冲突率 | 硬件复杂度 | 适用性 | 典型引用来源 |
|---|---|---|---|---|
| 全相联 | 最低 | 最高 | 小容量高命中率 | |
| 直接映像 | 最高 | 最低 | 大容量低成本 | |
| 组相联 | 中等 | 中等 | 通用场景 | |
| 段相联 | 中等 | 较低 | 嵌入式优化 |
关键补充说明
- 替换策略：
当 Cache 满时需替换旧块，常用算法包括 LRU（近期最少使用）、FIFO（先进先出） 和 随机替换，其中 LRU 在组相联中广泛使用。 - 写策略：
- 写直达（Write Through）：数据同时写入 Cache 和主存，一致性高但速度慢。
- 写回（Write Back）：仅写入 Cache，替换时回写主存，速度快但需维护脏位（Dirty Bit）。
通过合理选择映像方式与替换策略，可显著提升 Cache 命中率及系统性能。实际应用中，组相联因平衡性优势成为主流方案。
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