cache缺失和关联度

直接映射缓存

这张图展示了一个关于缓存缺失和关联度的例子。通过这个例子，我们可以看到如何根据主存块号来确定缓存块的分配位置，以及在访问过程中产生的缓存缺失情况。以下是图中例子的详细解释：

表格内容说明：

• Address of memory block accessed：表示访问的主存块地址。
• Hit or miss：表示访问操作是命中（hit）还是缺失（miss）。
• Contents of cache blocks after reference：在该次访问后，缓存块中的内容。

过程分析：

1. 缓存块号计算：图中提到的 Cache块号 = 主存块号 mod 4，即通过主存块号对4取余来决定数据应存储到哪个缓存块中。

2. 访问顺序及结果：

   • 第一次访问地址0：缺失，将 Memory[0] 放入缓存块0。
   • 第二次访问地址8：缺失，将 Memory[8] 放入缓存块0（替换掉 Memory[0]）。
   • 第三次访问地址0：缺失，因为 Memory[0] 已经被替换，再次将 Memory[0] 放入缓存块0。
   • 第四次访问地址6：缺失，将 Memory[6] 放入缓存块2。
   • 第五次访问地址8：缺失，因为 Memory[8] 不在缓存中，将其重新放入缓存块0（再次替换掉 Memory[0]）。

3. 缺失次数统计：整个过程中发生了5次缺失，因为每次访问时数据都不在缓存中（发生替换）。

总结

• 通过这个例子，我们可以理解直接映射缓存的限制：由于每个主存块只能映射到唯一的缓存块，如果不同的主存块映射到相同的缓存块，会导致频繁替换，从而增加了缺失次数。

组相联

这张图展示了一个缓存访问的例子，其中每个主存块通过 主存块号 mod 2 计算对应的缓存组号。以下是图中每一列的含义及具体的操作步骤：

图中内容的详细解释

• Address of memory block accessed：表示每次访问的主存块地址。
• Hit or miss：表示该次访问是否在缓存中命中（hit）或缺失（miss）。
• Contents of cache blocks after reference：显示该次访问后的缓存状态。这里的缓存分为 Set 0 和 Set 1，表明这是一个两路组相联缓存结构，每组有两个块。

过程分析

1. 第一次访问地址0：缺失，将 Memory[0] 加入到 Set 0。
2. 第二次访问地址8：缺失，将 Memory[8] 加入到 Set 1，因为 8 mod 2 = 0。
3. 第三次访问地址0：命中，因为 Memory[0] 已经在 Set 0 中。
4. 第四次访问地址6：缺失，将 Memory[6] 加入到 Set 1，替换掉之前的 Memory[8]。
5. 第五次访问地址8：缺失，因为 Memory[8] 已经被 Memory[6] 替换，因此将 Memory[8] 重新加载到 Set 1。

总结

• 在此过程中总共发生了 4次缺失，只有一次命中。
• 使用 主存块号 mod 2 确定缓存组号的方式，使得相同组号的不同块会互相替换，从而导致缺失增加。
• 该例子展示了在两路组相联缓存结构下，通过增加组的容量可以减少替换的发生，但仍然会发生冲突缺失（如 Memory[8] 和 Memory[6] 争用 Set 1）。

这个例子说明了缓存组相联的特点：通过限制存储位置的选择，可能会导致多次替换和较高的缺失率。

全相联

这张图展示了一个缓存访问的示例，目的是说明关联度越高，缓存缺失次数越少的概念。以下是图中每一部分的详细解释：

表格各列的含义

• Address of memory block accessed：表示每次访问的主存块地址。
• Hit or miss：表示每次访问是否在缓存中命中（hit）或缺失（miss）。
• Contents of cache blocks after reference：显示了每次访问后缓存中各块的内容。这里的缓存结构包含四个块（Block 0 到 Block 3），说明是一个四路组相联缓存结构。

访问过程分析

1. 第一次访问地址 0：缺失，将 Memory[0] 加载到 Block 0。
2. 第二次访问地址 8：缺失，将 Memory[8] 加载到 Block 1。
3. 第三次访问地址 0：命中，因为 Memory[0] 仍在 Block 0 中。
4. 第四次访问地址 6：缺失，将 Memory[6] 加载到 Block 2，并且 Block 0 和 Block 1 的内容保持不变。
5. 第五次访问地址 8：命中，因为 Memory[8] 仍在 Block 1 中。

总结

• 在这个四路组相联的缓存结构中，总共发生了 3次缺失，2次命中。
• 由于关联度更高（即四路组相联），缓存可以同时存储多个不同的块，避免了不必要的替换，从而降低了缺失次数。
• 图下方的说明“关联度越高，缺失次数越少！” 正是为了说明四路组相联缓存结构在减少缓存缺失方面的优势。

关键点

• 关联度越高：可以在缓存中存储更多不同地址的数据，从而减少冲突缺失，降低整体缺失率。
• 缓存缺失次数减少：关联度高的缓存结构在多次访问相邻或重复数据时表现更优，因为减少了替换和冲突。

这一示例展示了高关联度缓存结构的优点，尤其在频繁访问不同数据块的情况下，可以显著减少缺失次数。